Nutzung von Ultraschall bei Fischen zur nichtinvasiven Geschlechtsbestimmung und Beurteilung der Gonadenreife

Die Ultraschallbildgebungstechnologie wird als nicht-invasives, in Echtzeit arbeitendes und hochpräzises Verfahren häufig zur Geschlechtsbestimmung und Beurteilung der Gonadenreife von Fischen eingesetzt und ersetzt nach und nach traditionelle invasive Methoden wie die anatomische Beobachtung, die Messung des gonadosomatischen Index (GSI) und die Bestimmung des Hormonspiegels. Durch die Echtzeitbildgebung der Gonadenmorphologie und hämodynamischer Informationen liefert diese Technologie wissenschaftliche Belege für die zerstörungsfreie Geschlechtstrennung und den optimalen Brutzeitpunkt in der Aquakultur. Das Geschlechterverhältnis und die Gonadenreife von Fischen wirken sich direkt auf die Populationsstruktur, die Reproduktionseffizienz und den wirtschaftlichen Nutzen aus, insbesondere im Hinblick auf den Schutz von Wildfischen und die nachhaltige Entwicklung der Aquakultur. Dieser Artikel untersucht die Prinzipien, Anwendungen und Forschungsfortschritte der Ultraschalltechnologie in wichtigen Fischzuchtländern (z. B. China, Norwegen, Japan und den Vereinigten Staaten) sowie die damit verbundenen Herausforderungen und künftigen Entwicklungen.

Prinzipien und Bildeigenschaften der Ultraschallbildgebung

Bei der Ultraschallbildgebung werden Bilder durch die Reflexion hochfrequenter Schallwellen im Fischgewebe erzeugt. Dabei bilden Unterschiede in der akustischen Impedanz unterschiedliche Echomuster, mit denen sich Gonadentypen und Reifestadien identifizieren lassen:

• Weiblicher Eierstock: Reife Ovarien weisen körnige Echos auf, wobei echoarme Bereiche mit stark reflektierenden Flecken durchsetzt sind. In späten Reifestadien (III–IV) sind große, echoreiche Follikel mit klaren Grenzen sichtbar.

• Männliche Hoden: Die Hoden zeigen gleichmäßige, feine Echos. In reifen Stadien (III–IV) sind glatte, hochreflektierende Bereiche häufig, während in frühen Stadien (I–II) schwächere Echos auftreten, was die Unterscheidung von den Eierstöcken erschwert.

• Hämodynamik: Mithilfe der Farbdoppler-Ultraschalluntersuchung können außerdem Veränderungen des Blutflusses in den Gonaden festgestellt werden, wodurch zusätzliche Daten für die Reifebeurteilung bereitgestellt werden.

Die Ultraschalltechnologie hat bei verschiedenen Fischarten bedeutende Ergebnisse erzielt, darunter die folgenden bemerkenswerten Ergebnisse

• Silberner Butterfisch: Die Ultraschallbildgebung korreliert stark mit GSI und Hormonspiegeln. Durch die Einstellung der Echoschwellen F3 (weibliche Reife) und M3/M4 (männliche Reife) können reife Individuen schnell identifiziert und die Handhabungshäufigkeit reduziert werden.

• Nil-Tilapia: Ultraschall erreicht eine Genauigkeit bei der Geschlechtsbestimmung von 95 % und übertrifft damit die manuelle visuelle Sortierung (87 %). Die Bildgebung der Hoden bei Personen unter 400 g ist jedoch nach wie vor eine Herausforderung und erfordert eine optimierte Sondenfrequenz.

• Atlantischer Lachs: Ultraschall wird verwendet, um die Gonadenreife bei wilden und gezüchteten männlichen Fischen zu überwachen, wodurch unnötige Opfer deutlich reduziert und Skalierbarkeit geboten wird.

• Chinesischer Stör: Die Kombination von Ultraschallbildgebung mit der Messung von Sexualhormonen ermöglicht die Bestimmung des Geschlechts und der Reife bei 10- bis 17-Jährigen und zeigt damit ihr Potenzial für den Schutz gefährdeter Arten.

• Regenbogenforelle mit umgekehrtem Geschlecht: Mittels Ultraschall lässt sich die Gonadenstruktur bei geschlechtsumgekehrten Individuen effektiv beurteilen und so die Züchtung gleichgeschlechtlicher Populationen unterstützen.

Forschungsfortschritte in wichtigen Fischzuchtländern

Wichtige Fischzuchtländer haben bedeutende Beiträge zur Ultraschalltechnologie geleistet, indem sie diese an die lokalen Bedürfnisse angepasst und ihre Industrialisierung vorangetrieben haben:

• China: Als weltgrößter Aquakulturproduzent hat China Durchbrüche in der Ultraschallforschung für Arten wie Chinesischen Stör, Karpfen und Tilapia erzielt. Forschungseinrichtungen haben kostengünstige, tragbare Ultraschallgeräte für kleine und mittelgroße Fische entwickelt, die KI-Algorithmen zur Verbesserung der Bildanalyse integrieren. So entwickelte beispielsweise die Chinesische Akademie der Fischereiwissenschaften ein automatisiertes System zur Bestimmung der Gonadenreife auf Ultraschallbasis, das die Genauigkeit der Geschlechtstrennung in Zuchtbetrieben verbessert.

• Norwegen: Norwegen setzt Ultraschall in großem Umfang in der Lachs- und Kabeljauzucht ein und konzentriert sich dabei auf den Zusammenhang zwischen gonadalem Blutfluss und Reife. Das norwegische Institut für Meeresforschung hat Hochfrequenzsonden entwickelt, die Hoden kleinerer Fische deutlich abbilden. Dadurch werden Auflösungsbeschränkungen überwunden und die Methode eignet sich für die kommerzielle Aquakultur im großen Maßstab.

• Japan: Japan hat die Ultraschallanwendung bei hochwertigen Arten wie Regenbogenforellen und Bonitos weiterentwickelt, insbesondere zur Geschlechtsumkehr und Überwachung der Gonadenentwicklung. Japanische Forschungseinrichtungen haben Ultraschall mit genetischen Markern kombiniert, um nicht-invasive Modelle zur Geschlechtsbestimmung zu entwickeln und so die Effizienz der Samenproduktion zu steigern.

• Vereinigte Staaten: Die USA fördern den Einsatz von Ultraschall in der Wels- und Lachszucht, insbesondere in Kleinbetrieben. Vom US-Landwirtschaftsministerium (USDA) geförderte Projekte konzentrieren sich auf die Miniaturisierung von Ultraschallgeräten, um Kosten zu senken und sie auch für kleinere Betriebe zugänglich zu machen. Darüber hinaus haben US-Forschungsteams maschinell lernende Ultraschallbildanalysetools entwickelt, um die Objektivität zu verbessern.

Technische Vorteile und Herausforderungen

Die Ultraschalltechnologie für Fische bietet folgende Vorteile:

• Nicht-Invasivität: Vermeidet Fischverletzungen durch herkömmliche Sektionen, geeignet für den Schutz gefährdeter Arten.

• Echtzeitfähigkeit: Ermöglicht schnelles Scannen im oder außerhalb des Wassers, ideal für Aquakulturbetriebe im großen Maßstab.

• Hohe Genauigkeit: Erreicht eine Genauigkeit von über 90 % bei der Geschlechtsbestimmung und übertrifft damit herkömmliche visuelle Methoden.

Es bleiben jedoch Herausforderungen:

• Größenbeschränkung für Fische: Die Bildgebung der Hoden bei kleinen Fischen (<200 g) ist schwierig und erfordert Sonden mit höherer Frequenz und empfindlichere Geräte.

• Ausrüstungskosten: Hochwertige Ultraschallgeräte und Farbdopplersysteme sind teuer, was die Akzeptanz bei Kleinbauern einschränkt.

• Bedienerkompetenz: Die Bildinterpretation basiert auf Erfahrung und erfordert automatisierte Analysetools, um Qualifikationsbarrieren abzubauen.

Zukünftige Richtungen

Zur weiteren FörderungUltraschall für FischeTechnologie in der Aquakultur werden folgende Schritte empfohlen:

1. Verbessern Sie die Bildauflösung: Entwicklung von Ultrahochfrequenzsonden zur Verbesserung der Hodenabbildung bei kleinen Fischen.

2. Reduzieren Sie die Gerätekosten: Entwicklung erschwinglicher, tragbarer Ultraschallgeräte, um kleine und mittelgroße Landwirte zu erreichen.

3. Standardisierung und Automatisierung: Erstellen Sie standardisierte Bildanalyseprotokolle und integrieren Sie KI und maschinelles Lernen, um die Abhängigkeit vom Fachwissen des Bedieners zu verringern.

4. Internationale Zusammenarbeit: Stärkung der Zusammenarbeit zwischen China, Norwegen, Japan, den USA und anderen Ländern zum Austausch von Daten und Technologien und zur Förderung einer nachhaltigen globalen Aquakultur.

Die Ultraschalltechnologie für Fische ist dank ihrer Nichtinvasivität, Echtzeitfähigkeit und hohen Genauigkeit ein ideales Instrument zur Geschlechtsbestimmung und Beurteilung der Gonadenreife. Kontinuierliche Forschung in großen Fischzuchtländern hat den technologischen Fortschritt vorangetrieben, insbesondere beim Schutz gefährdeter Arten und der Optimierung der kommerziellen Aquakultur. Durch zukünftige Innovationen in den Bereichen Auflösung, Kostensenkung und Automatisierung steht die Ultraschalltechnologie vor einer breiteren Einführung in der globalen Aquakultur und trägt so zu Nachhaltigkeit und wirtschaftlichen Vorteilen bei.