Improving bioremediation with extractive species in integrated aquaculture: Towards application in tropical recirculating systems

Marine organisms are key to food security and to combat malnutrition, especially in the developing tropics. With the increase in the human population, so grows its appetite for seafood and with production from capture fisheries at its limit, aquaculture is left to fill the gap. Faced with resource limitations and environmental regulations, aquaculture operations have to augment their output while decreasing the relative use of resources, coastal space and effluent output. Integrated aquaculture is seen as a strategy to meet demands for more efficient and sustainable aquaculture production. Especially integrated multi-trophic aquaculture (IMTA) is often described as a solution, but proliferation of the industry has been slow, uneven and research is still lacking in regards to its application with tropical marine species. This thesis provides an example of IMTA with edible tropical species at three different trophic levels. A proof-of-concept presents the viability of a low-technology recirculating aquaculture system (RAS) of milkfish Chanos chanos, integrating sea cucumber Holothuria scabra and halophyte Sesuvium portulacastrum as extractive species. The species showed good growth and the system maintained good water quality and low concentrations of dissolved inorganic nitrogen even without an additional biofilter. Removal, uptake and assimilation of feed-derived nutrients through the cultivation of the extractive species were further examined to determine strategies to optimize bioremediation. The high-value sea cucumber H. scabra was raised on solid waste from milkfish aquaculture. Animals were supplied with the waste alone or waste amended with either microcrystalline cellulose or bagasse. Comparison with control systems without sea cucumbers showed that the animals decreased nitrogen and organic carbon in the sediment, albeit not statistically significant. For the first time, a context-specific trophic enrichment factor was applied in a stable isotope mixing-model for this species, demonstrating good assimilation of nutrients from aquaculture waste. Increasing the C/N ratio of the waste led to a higher biomass production and nutrient recovery into sea cucumber biomass and bagasse, an agricultural waste product, proved to be effective for carbon supplementation. Removal and uptake of dissolved inorganic nutrients from milkfish effluents by systems planted with S. portulacastrum was investigated via labeling with 15N nitrate or ammonium. The halophyte was cultivated either hydroponically or with sand as substrate. Nitrogen recovery in edible plant biomass was significantly higher in hydroponic cultivation. This thesis contributes to the knowledge needed to move towards sustainably intensifying multi-trophic aquaculture in tropical countries. The results hint at the intricate interplay between extractive species, their biotic environment and nutrient cycles and highlight the complexity, but also the opportunities of saline IMTA. Meeresorganismen spielen eine wichtige Rolle für die globale Ernährungssicherheit und in der Bekämpfung von Mangelernährung, besonders in tropischen Entwicklungsländern. Mit der wachsenden menschlichen Bevölkerung wächst auch die Nachfrage nach Meeresfrüchten und da die Fangfischerei an ihre Grenzen stößt, muss die Aquakultur die Lücke schließen. Angesichts von Ressourcenknappheit und Umweltvorschriften müssen Aquakulturbetriebe ihre Produktion steigern und gleichzeitig die Nutzung von Rohstoffen, Küstenraum und die Abwasserproduktion verringern. Integrierte Aquakultur gilt als Strategie, um die Anforderungen an eine effizientere und nachhaltigere Aquakulturproduktion zu erfüllen. Insbesondere die Integrierte Multitrophe Aquakultur (IMTA) wird häufig als Lösung beschrieben, aber die Verbreitung in der Industrie läuft langsam und ungleichmäßig. Auch mangelt es an Forschung hinsichtlich ihrer Anwendung bei tropischen marinen Arten. Diese Arbeit liefert ein Beispiel für IMTA mit essbaren tropischen Arten auf drei verschiedenen trophischen Ebenen. Eine Proof of Concept-Studie zeigt die Durchführbarkeit eines rezirkulierenden Aquakultur-Systems (RAS) unter Einsatz von einfacher Technologie. Seegurken Holothuria scabra und Halophyten Sesuvium portulacastrum wurden als „Abfallverwerter“, sogenannte extraktive Arten, mit Milchfischen Chanos chanos in ein geschlossenes System integriert. Alle Arten zeigten dabei gutes Wachstum und das System hatte gute Wasserqualität mit niedriger Konzentration gelösten anorganischen Stickstoffs ohne zusätzlichen Biofilter. Des Weiteren wurde die Entfernung, Aufnahme und Assimilation von Nährstoffen aus Futtermitteln durch die Kultivierung der extraktiven Arten untersucht, um Strategien zur Optimierung der Bioremediation herauszufinden. Die ökonomisch wertvolle Seegurke H. scabra wurde mit organischen Feststoffabfällen aus der Milchfisch-Aquakultur gefüttert. Die Tiere wurden entweder nur mit den Abfallprodukten gefüttert, oder unter Zugabe von mikrokristalliner Zellulose oder Bagasse. Ein Vergleich mit Kontrollsystemen ohne Seegurken zeigte, dass die Tiere die Anreicherung von Stickstoff und organischem Kohlenstoff im Sediment verringerten, wenn auch nicht statistisch signifikant. In einem stabilen Isotopenmodell wurde zum ersten Mal für diese Art ein kontextspezifischer trophischer Anreicherungsfaktor angewendet. Die Ergebnisse zeigten eine gute Aufnahme von Nährstoffen aus Aquakulturabfällen und dass eine Erhöhung des C/N Verhältnisses der Abfälle Wachstum und Nährstoffrückgewinnung in Seegurkenbiomasse verbessern. Bagasse, ein landwirtschaftliches Abfallprodukt, erwies sich als wirksam für die Supplementierung mit Kohlenstoff. Die Entfernung und Aufnahme gelöster anorganischer Nährstoffe aus Milchfischabwässern in mit S. portulacastrum bepflanzten Systemen wurde durch Markierung mit 15N Nitrat oder Ammonium untersucht. Der Halophyt wurde entweder hydroponisch oder mit Sand als Substrat kultiviert. Die Stickstoffrückgewinnung in essbarer Pflanzenbiomasse war im hydroponischen System signifikant höher. Diese Arbeit trägt zum Wissen davon bei, wie multitrophe Aquakultur in tropischen Ländern nachhaltig intensiviert werden kann. Die Ergebnisse deuten auf das intrikate Zusammenspiel zwischen extraktiven Arten, ihrer biotischen Umwelt und den Nährstoffkreisläufen hin und unterstreichen die Komplexität, aber auch die Möglichkeiten der marinen IMTA