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Dissertation zugänglich unter
URN: urn:nbn:de:gbv:18-87427
URL: http://ediss.sub.uni-hamburg.de/volltexte/2017/8742/


Stock discrimination and age validation of Baltic cod (Gadus morhua L.)

Bestandstrennung und Altersvalidierung des Ostseedorsches (Gadus morhua L.)

Stötera, Sven Sebastian

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SWD-Schlagwörter: Fischbestand , Kabeljau , Ostsee
Freie Schlagwörter (Deutsch): Bestandstrennung , Isotope , Otolith , Altersvalidierung , Lesbarkeit
Freie Schlagwörter (Englisch): otolith , stable isotopes , readability , age validation , Baltic Sea
Basisklassifikation: 42.00
Institut: Biologie
DDC-Sachgruppe: Biowissenschaften, Biologie
Dokumentart: Dissertation
Hauptberichter: Möllmann, Christian (Prof. Dr.)
Sprache: Deutsch
Tag der mündlichen Prüfung: 15.09.2017
Erstellungsjahr: 2017
Publikationsdatum: 22.09.2017
Kurzfassung auf Englisch: While morphometric or genetic comparisons can assign individual fish to their respective stocks, such methods do not provide information on age or life history patterns, which should ideally be assessed in parallel. Otoliths are calcified tissues in the inner ear of teleost fish and provide characteristics that can be used for both stock discrimination and age estimation. They are chemically inert and have a periodic growth that depends on the environment and physiology of a fish and allows conclusions on its age and life history. However, a reliable assessment requires a variety of methods to account for shortcomings of single features and to cross-validate results, like the periodicity of growth zone formation.
The study was conducted on Atlantic cod (Gadus morhua) in the Baltic Sea, where two distinct populations are present and mix. An age discrimination problem in both stocks is recognized, but has never been solved and despite its ecological and economical importance, the timing and magnitude of spatiotemporal overlapping and mixing has only been quantified since 2014, although it has been known for decades. The unacquainted age composition and poor stock identification in the mixing areas is causing a bias in the estimation of stock structure and biological parameter. The overall objective of this study is to determine the feasibility of otolith based methodologies in stock discrimination and age validation that have not been used in Baltic Sea cod before or not as a discriminatory feature prior to this study. Preceding approaches in the discrimination of Baltic Sea cod disclose several shortcomings, where they are not applicable on all stock components or are quite expensive or the regained data are too sparse to make qualified assumptions. I am testing two otolith features for their stock discrimination potential and present a pilot study and the results on an age validation approach for the Western Baltic cod stock. Those methods have never or only partially been used for stock research before. I specifically aimed at answering:
(1) Is the readability of the rings of an otolith different between specific areas and is it a feasible stock discrimination feature, (2) is the stable isotope (δ18O and δ13C) composition in the nucleus of cod otoliths able to indicate the spawning origin of juvenile fish from several locations in the western and eastern Baltic Sea and (3) what concentration of the chemical long-term marker tetracycline hydrochloride gives the best fluorescent marks on an otolith with the lowest side effects and can then be used as a basis for mark-and-recapture studies for age validation. And lastly, (4) validate the timing of growth zone formation in Western Baltic cod otoliths by using the previously determined approach of chemical marking and external tagging and. what can be gained from it in terms of migration, growth and age validation.
The results of this thesis highlight (1) that readability is a fast and easy applicable otolith feature that can be obtained in the process of age estimation. It is the first time that the difference in otolith opacity was categorized and subject to such extensive evaluation. Although it is yet not clear what factors are influencing the differences in ring demarcations, once validated by other methods, the readability may very well enable quick overviews of current and retrospective mixing patterns. It also showed that (2) stable oxygen isotopes from the nucleus differed between the spawning stocks of the Baltic cod stocks and are a useful proxy to determine the spawning origin of adult and juvenile. Additional shape analyses of whole otoliths of adult cod in the mixing area corroborate stable oxygen isotopes as a baseline feature. The subsequent study on chemical marking of otoliths for the age validation of Western Baltic cod revealed (3) that TET in the concentration of 100 mg/kg achieves the clearest fluorescent marks on the otolith with the lowest mortality and no negative effect on the growth rate of the fish. From the affiliated open water mark and recapture study it also became evident, that (4) the translucent zones of western Baltic cod otoliths are laid down at times of highest sea water temperature and therefore are summer rings. This confirms that the timing of ring formation in the western stock follows a similar pattern previously known from other stocks in the North Sea or Skagerrak. This study emphasizes the necessity for age validated material when it comes to age based stock assessments.
In conclusion, the applied methods gave valuable insight in Baltic cod stock mixing and enabled, for the first time, a validation of age estimation in the western stock.
Kurzfassung auf Deutsch: Klassische morphometrische oder genetische Vergleiche können zwar einzelne Fische einem Bestand zuordnen, jedoch können sie keine Aussage zum Alter oder der Lebensgeschichte liefern. Idealerweise sollten beide Aspekte, die Bestandszuordnung und das Alter, gleichzeitig erfasst werden. Otolithen sind kleine paarige Kalziumkarbonat Strukturen im Innenohr von Knochenfischen, dessen Eigenschaften sowohl für die Bestandstrennung als auch die Altersbestimmung genutzt werden können. Sie sind chemisch inert und zeigen ein periodisches Wachstum, welches von der Umwelt und der Physiologe des Fisches selbst beeinflusst wird. Eine verlässliche Bewertung des Bestandes ist jedoch nur möglich, wenn mehrere Eigenschaften evaluiert werden, um damit Ungenauigkeiten einzelner Methoden auszugleichen. Auch das periodische Wachstum des Otolithen muss erst verifiziert werden, bevor der Alterslesung (also dem zählen von „Jahresringen“) vertraut werden kann.
Die hier präsentierte Studie wurde am Atlantischen Dorsch (Gadus morhua) der Ostsee durchgeführt. Es wird zwischen zwei Beständen des Ostseedorsches unterschieden, welche sich allerdings im Laufe des Jahres regelmäßig vermischen. Probleme bei der Alterslesung in den beiden Beständen sind seit Jahrzehnten bekannt, ebenso die zeitweise Vermischung, welche, trotz der enormen ökologischen und ökonomischen Bedeutung der Art, größtenteils unbekannt ist und erst seit 2014 umfangreich analysiert wird. Die unbekannte Altersstruktur und die Defizite bei der Bestandszuordnung in den Mischungsgebieten haben zu einer Verzerrung in der Bestandsabschätzung und der biologischen Parameter geführt. Das Gesamtziel dieser Arbeit ist es, die Eignung von Otolithen-basierten Methoden zur Bestandstrennung und Altersvalidierung zu testen, welche bisher in der Ostsee und speziell dem Ostseedorsch, noch nicht angewendet worden sind. Ich werde zwei Eigenschaften auf ihre Eignung zur Bestandstrennung testen und stelle eine Pilotstudie sowie erste Ergebnisse einer Altersvalidierung für den westlichen Dorschbestand vor. Ich versuche hierbei folgende Fragen zu beantworten:
(1) Unterscheidet sich die Lesbarkeit von Ringstrukturen des Otolithen zwischen spezifischen Gebieten und kann dies zur Bestandstrennung genutzt werden, (2) kann die Zusammensetzung stabiler Isotopen (δ18O und δ13C) im Kern von Dorschotolithen den Laichursprung von juvenilen Dorschen bestimmen, welche von verschiedenen Orten der Ostsee gewonnen wurden und (3) welche Konzentration des chemischen Langzeitmarkers Tetracyclin Hydrochlorid (TET) ergibt die deutlichsten Fluoreszenzmarkierungen auf einem Otolithen mit den geringsten Nebenwirkungen und kann folglich als Grundlage für größere Markierungsexperimente zur Altersvalidierung wilder Dorsche genutzt werden. Und letztendlich, (4) wie ist die zeitliche Entwicklung der Wachstumszonen in Otolithen des Westdorsches unter Anwendung des vorher entwickelten Ansatzes chemischer Markierung und welche Informationen in Bezug auf Wachstum, Migration und Validierung können aus diesem Ansatz gewonnen werden.
Die Ergebnisse dieser Studie ergeben, dass (1) die Lesbarkeit eine schnelle und einfach anwendbare Eigenschaft des Otolithen ist, welche während des Altersleseprozesses aufgenommen werden kann. Dies ist das erste Mal, dass der Unterschied in der Opazität (Mattheit) objektiv kategorisiert worden und extensiv ausgewertet worden ist. Auch wenn es bisher noch nicht geklärt ist, welche Faktoren die Lesbarkeit beeinflussen, kann sie, nach der Validierung durch andere Ansätze, sehr schnell und einfach historische und aktuelle Bestandsmischungen wiedergeben. Es zeigte sich auch dass sich (2) die stabilen Sauerstoff Isotopenzusammensetzung im Kern des Otolithen zwischen den beiden Dorschbeständen unterscheidet und ein geeigneter Proxy sind, um den Laichursprung von adulten und juvenilen Dorschen zu ermitteln. Die anschließende Studie zur chemischen Markierung von Otolithen des westlichen Bestandes zur Altersvalidierung ergab, dass (3) TET in einer Konzentration von 100 mg/kg die besten fluoreszierenden Markierungen erzeugt und gleichzeitig kein negativer Effekt auf Wachstum oder Sterblichkeit aufgetreten ist. Die angeschlossene Wiederfang-Studie ergab, dass (4) die luzide (lichtdurchlässige) Zone des Otolithen im Falle des Westdorsches parallel zur höchsten saisonalen Wassertemperatur angelegt wird und demzufolge ein „Sommerring“ ist. Damit folgt die Ringbildung beim Westdorschotolithen einem ähnlichen Schema, welches bereits bei Dorschen in der Nordsee und dem Skagerrak gefunden worden ist.
Zusammenfassend, die angewendeten Methoden ermöglichen neue Einblicke in die Mischung der beiden Dorschbestände und ermöglichen, zum ersten Mal überhaupt, eine Validierung der Altersbestimmung im westlichen Bestand.

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