Dipl.-Geoökol. Andreas Holbach
Evaluation of seaward migrations by fish species in the Kosi Bay lake system (South Africa), determined by Otolith Geochemistry analyses

Kosi Bay ist eines der am wenigsten vom Menschen beeinflussten Ästuar-Gebiete in Südafrika. Dieses einzigartige System besteht aus vier über kleine Kanäle miteinander verbundenen Küstenseen sowie einem anschließenden Ästuar-/Mündungsbereich in den Indischen Ozean. Kosi Bay verzeichnete in den letzten Jahren einen besorgniserregenden Rückgang seiner Fischbestände, der sehr wahrscheinlich in Zusammenhang zu einer wachsenden traditionellen Fischerei mit reusenartigen Fallen, zunehmendem Fischerei-Tourismus sowie unbekannten Ausmaßen an illegaler Fischerei mit Kiemennetzen steht. Wanderungen zwischen den ästuarinen Gewässern und dem offenen Meer sind für die Reproduktion vieler in Kosi Bay vorkommender Fischarten absolut notwendig. Eine Behinderung oder gar eine Verhinderung der Fischwanderung durch Fischerei Aktivitäten würde die Produktivität und die derzeitige große Bedeutung von Kosi Bay für das Küstenökosystem daher langfristig stark degradieren.

Das Thema dieser Diplomarbeit ist es daher, Wanderungsbewegungen von Fischen zwischen den verschiedenen Wasserkörpern des Kosi Bay Systems und dem offenen Meer anhand von Otolithen-Geochemischen Analysen zu untersuchen. Dazu wurde im Rahmen dieser Arbeit ein Südafrikanisch-Deutsches Forschungsprojekt zwischen dem South African Institute for Aquatic Biodiversity und dem Institut für Mineralogie und Geochemie des KIT initiiert, um die Infrastruktur und Expertise der beiden Forschungsbereiche Fischbiologie und Mineralogie/Geochemie zu vereinen.

Otolithen sind Gehörknochen, die bei Fischen aus Kalk in der Kristallstruktur von Aragonit aufgebaut sind. Diese Knochen wachsen während der gesamten Lebenszeit des Fisches durch die Kristallisation von neuem Material auf der Oberfläche und bilden so eine Struktur von Jahresringen. Jede neue Schicht an Knochenmaterial spiegelt in gewisser Weise die Umweltbedingungen des Fisches zur Kristallisationszeit wieder. Neben dem Hauptelement Calcium (Ca2+), das zusammen mit Carbonat (CO32-) das Grundgerüst des Knochematerials bildet, werden auch Neben- und Spurenelemente in das Material eingebaut. Die Konzentration von Spurenelementen im Knochenmaterial ist dabei abhängig von verschiedensten äußeren Einflussfaktoren. Der Gehalt an Strontium (Sr2+) ist beispielsweise stark abhängig vom Sr-Gehalt, dem Salzgehalt sowie der Temperatur des, den Fisch umgebenden, Wasserkörpers. Da das Knochenmaterial der Otolithen im Fisch keinen Rücklösungsprozessen mehr unterliegt, werden Änderungen der Umweltbedingungen im Laufe des Fischlebens anhand der Spurenelement-Verteilung im Otolithen schichtweise aufgezeichnet und können später somit rekonstruiert werden.

Otolithenproben und Wasserproben wurden aus dem gesamten ästuarinen Seensystem von Kosi Bay entnommen und am IMG in Deutschland mit verschiedenen analytischen Methoden auf ihre chemische Zusammensetzung untersucht. Die Wasserproben sowie Vollaufschlüsse von Otolithen wurden mit Hilfe von Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry (ICP-MS) und Ionen Chromatographie (IC) auf Haupt-, Neben- und Spurenelementzusammensetzung untersucht. Die Mikro-RöntgenFluoreszenzAnalyse (µ-RFA) im Labormaßstab wurde erstmalig zur ortsaufgelösten Spurenelementanalytik von Otolithen-Querschnitten genutzt und erwies sich als sehr gut geeignet um die Verteilung von Sr/Ca-Verhältnissen in Otolithen zu detektieren. Außerdem konnten die Verhältnisse der stabilen Sauerstoffisotope in den Wasserproben sowie in ausgewählten Proben von Otolithenmaterial mit Hilfe der Isotope Ratio Mass Spectrometry (IR-MS) bestimmt werden.

Die Ergebnisse zeigten, dass sich die einzelnen Wasserkörper des Kosi Bay Systems in ihren geochemischen Eigenschaften sehr stark voneinander unterscheiden. Der Salz- und Sr-Gehalt steigen von See zu See kontinuierlich von Süßwasser- zu Meerwasserbedingungen an, wohingegen die δ18O-Werte (Vergleichswert für das Verhältnis von stabilen Sauerstoffisotopen) ein Maximum in der Mitte Systems erreichen und sowohl zum Süß- als auch zum Meerwasser hin abfallen. Ebenso weisen die Sr/Ca-Verhältnisse sowie die δ18O-Werte innerhalb der Otolithen teilweise starke Unterscheide auf. Die Gesamtzusammensetzung der aufgeschlossenen Otolithen unterscheidet sich hingegen weder innerhalb der beprobten Fischarten, noch zwischen den einzelnen Fischarten signifikant. Das Kosi Bay System stellt damit ein hervorragendes Untersuchungsgebiet dar um die Otolithen Geochemie von, in ästuarinen Gewässern wandernden, Fischarten zu untersuchen. Die stark wechselnden geochemischen Bedingungen denen ein wandernder Fisch in Kosi Bay zwangsläufig auf seinen Wegen ausgesetzt ist können sich dann in den Otolithen widerspiegeln.

Betrachtet man die Wasserproben unter Ausschluss des reinen Süßwassersees, so ergibt sich alles in allem eine gute Korrelation von Sr Konzentrationen, Sr/Ca-Verhältnissen und Stabilen Sauerstoffisotopen zwischen den Otolithen und den Wasserproben. Hohe Sr Konzentrationen und Sr/Ca-Verhältnisse fallen sowohl in den Otolithen als auch in den Wasserproben mit niedrigen δ18O-Werten zusammen und umgekehrt. Der Ausschluss des Süßwassersees gerechtfertigt, da die betrachteten Fischarten nicht unter reinen Süßwasserbedingungen vorkommen, wohl aber in allen Mischbereichen zwischen Süß- und Meerwasser. Es liegt also die Möglichkeit nahe, die Wanderung von Fischen in Kosi Bay anhand der chemischen Signaturen im Otolithenmaterial zu rekonstruieren. Allerdings reichen die bisherigen Ergebnisse noch nicht aus um abschließende Aussagen über die Reichweite, Dauer und die Häufigkeit von Fischwanderungen aus den gemessenen Werten abzuleiten. Dafür muss die Variabilität der Umweltbedingungen im Kosi Bay System sowie die Empfindlichkeit der chemischen Signale in den Otolithen auf verschiedene Umwelteinflüsse weiter untersucht werden.

Dennoch wurde in dieser Arbeit durch die Kombination von verschiedensten Analyse-Techniken eine Methode entwickelt, die Aussagen über eventuelle Wanderungen der Fische nicht nur auf einen untersuchten Parameter (z.B. Sr/Ca-Verhältnis) stützt. Zwei völlig unterschiedliche und voneinander relativ unabhängige Eigenschaften des Wassers im Kosi Bay System, die Wasserchemie und die Sauerstoffisotopie, deuten hier gleichermaßen auf die wanderungsbedingte Übertragung dieser chemischen Signale in die Fisch Otolithen aus Kosi Bay hin. Diese Erkenntnis kann und soll für die Planung und Durchführung zukünftiger Studien zu Fischwanderungen in ästuarinen Systemen sehr hilfreich sein.