Er lav partikkelbelastning i RAS fordelaktig?

Produksjon av laks i resirkuleringssystemer (RAS) innebærer annerledes vannkvalitet med mer partikler enn i gjennomstrømsystemer (FTS). Høy belastning av partikler og organisk materiale i RAS-vannet gir grunnlag for et mangfoldig mikrobielt samfunn som kan påvirke biofilteret og fiskens helse. Økt forståelse av sammenhengene mellom vannkvalitet, mikrobiomer i RAS-miljøet og laksens helse vil kunne bidra til optimaliserte driftsbetingelser, og dermed bedre forhold for fisk og reduserte kostnader for oppdretterne.

Bakgrunn

I RAS resirkuleres vann og vannrensing er nødvendig for å fjerne avfallsprodukter som organisk materiale fra fôr og feces, ammonium fra nedbryting av protein og CO2 fra fisk og bakteriers respirasjon. Ammonium omdannes til den mindre giftige forbindelsen nitrat, via nitritt, ved hjelp av nitrifiserende bakterier i biofiltre. Hvordan disse og de øvrige mikrobe- samfunnene (mikrobiomer) påvirkes av driftsbetingelsene i RAS, er dårlig forstått. For eksempel kan økt organisk belastning medføre utfordringer knyttet til oppblomstring av heterotrofe bakterier i vannet og biofilmen (Guerdat et al. 2011). I tillegg finnes det bakteriesamfunn, eller mikrobiomer, suspendert i vannet og i biofilm på kar- og rørvegger, samt i fiskens slimhinner. Mikrobiomene formes av de fysiske og kjemiske omgivelsene, men påvirker samtidig den kjemiske vannkvaliteten og fiskens helse (Blancheton et al. 2013). Et RAS-anlegg kan derfor sees som et komplekst mikrobielt økosystem (Vadstein et al. 2018), men hvordan disse mikrobiomene interagerer med hverandre er dårlig forstått.

Produksjon av laksesmolt og storsmolt i RAS har blitt en vanlig driftsform som kan ha gunstige effekter også i sjøfasen, men også gi nye utfordringer (f.eks. Ytrestøyl et al. 2018, Tørud et al. 2019, Remen et al. 2020). De komplekse fysiologiske og anatomiske endringene som oppstår under smoltifisering og tilpasningen til det marine miljøet er energikrevende prosesser, noe som gjør postsmolt mer følsom for stressfaktorer (Jarungsriapisit et al. 2016). Det er vist at både tarm- og skinn-mikrobiomene endrer seg hos laks etter utsetting i sjø (Dehler et al. 2017), men hvilken betydning dette har for fiskens slimhinnehelse er ikke kjent.

Ifølge teorier innen mikrobiell økologi kan plutselige endringer øke sannsynligheten for oppblomstring av opportunistiske og patogene bakterier (Rojas-Tirado et al. 2019), men om laksens mikrobiomer er involvert i sykdom etter overføring til sjø er ikke kjent.

Økt forståelse av sammenhengen mellom vannkvalitet, laksens mikrobiomer og dens velferd og helse (Figur 1) i smolt/ postsmolt-RAS og påfølgende påvekst, er nødvendig for å kunne optimalisere driftsbetingelser og dermed på lengre sikt kunne bidra til vesentlige kostnadsbesparelser i form av bedre produksjon, lavere dødelighet, og mindre sykdom for enkeltoppdrettere og for næringen som helhet.

I forskningsprosjektet MikroRAS har vi fulgt utviklingen av mikrobiomene, fiskehelsen og biofilter-funksjonen i 6 identiske 2,5 m3 RAS-enheter ved lav og høy partikkelbelastning (3 replikate RAS for hver betingelse; Figur 2) gjennom fire måneder, først i ferskvann fulgt av en periode med smoltifisering i brakk- vann. Den høye partikkelbelastningen tilsvarer en konsentrasjon som ofte sees i kommersielle anlegg. Dette ble oppnådd ved å reintrodusere spylevannet fra trommelfilteret og slammet som sedimenterte i swirl-separatoren. Lav partikkelbelastning ble oppnådd ved å la nevnte vannrenseutstyr fungere best mulig. Biofilter-media ble byttet ved overgangen til brakkvannsfasen. Ved slutten av RAS fasen simulerte vi transport (Figur 3), og fulgte fisken i tre ytterligere måneder i gjennomstrømmingstanker med sjøvann. I denne artikkelen vil vi presentere over- ordnede resultater fra RAS-fasen.

Forsøket ble gjennomført iht. tidsplanen og uten dødelighet. Det ble tatt ut prøver av blod, skinn, gjelle og tarm fra 6 individer per enhet på 11 prøvetidspunkt (Figur 4, 5 og 6) til analyser av mikrobesamfunn og fiskehelse. I tillegg ble det tatt prøver av 5 biofilmbærere per RAS per prøvetidspunkt til kartlegging av mikrobiomer, samt vannkvalitetsprøver før og mellom alle prøveuttak av fisk (Figur 7). Lengde og vekt av all fisk ble registrert 5 ganger i forsøket for å kunne følge vekstindikatorer på individbasis i de ulike fasene i eksperimentet. All prøvetatt fisk ble også vurdert med hensyn på eksterne velferds- indikatorer, kardiosomatisk, hepato-somatisk og gonadosomatisk indeks.

Siden hovedmålet med prosjektet og forsøkene er å fremskaffe økt kunnskap om sammenhengene mellom laksens mikrobiomer, produksjonsmiljø, vann- kvalitet og fiskehelse/-velferd, ble det etterstrebet tilsvarende betingelser som i industrien. I RAS-fasen ble det valgt en partikkelbelastning (Figur 8) som tilsvarer forhold som finnes i industrien (høy TSS, 7-8 mg/l) og forhold som kanskje flere ønsker å oppnå (lav TSS, 1-2 mg/l). RAS- enhetene ble driftet med 55,9±1,8 l/min (helesystemvolumetsirkulerer 1,34 ganger per time), tilsvarende spedevannsforbruk og fôring (Figur 9), 12,3±0.8 °C, oksygen- metning 93,0±5,6 %, pH 7,2-8,2 (FV) og 7,0-8,1 (BV) og en saltholdighet på 1,4±0,1 (FV) og 14,5±1,0 (BV).

Partikkelbelastningen i RAS-enhetene med høy TSS var gjennomsnittlig 6,77 mg/l TSS i ferskvannssystemene og 7,31 mg/l TSS i brakkvannssystemene. Tilsvarende tall for systemene med lav TSS var henholdsvis 1,13 og 2,06 mg/l TSS. Konsentrasjonen av TSS varierte relativt mye mellom høy TSS- systemene og i løpet av perioden, men steg mot slutten av hver fase da systemene ble utfordret litt ekstra (Figur 10). Vannet i systemene med høy partikkelbelastning hadde høyere andel av større partikler og naturlig nok noe høyere turbiditet og totalt organisk karbon (TOC), enn systemene med lav partikkelbelastning. Den høye partikkelbelastningen førte også til noe redusert biofilterfunksjon (Figur 11 a, b og c), med litt høyere konsentrasjon av totalt ammonium nitrogen (TAN) og nitritt (NO2), samt lavere nitrat (NO3). Mot slutten av både ferskvannsfasen og brakkvannsfasen minket konsentrasjonen av nitrat, sannsynligvis på grunn av økt spedevannsforbruk.

Konsentrasjonen av ammonium var som nevnt noe høyere i RAS med høy partikkelbelastning (Figur 11a), og dette var trolig på grunn av endringer i mikrobesamfunnene i biofiltrene. Telling av bakterier i vannet ved hjelp av flow cytometer (FCM) viste at RAS med høy partikkelbelastning hadde høyere konsentrasjon av bakterier i vannet, særlig etter overgangen til brakkvann da bakteriekonsentrasjonen økte i alle systemene. I brakkvannsfasen var sammensetningen av det bakterielle samfunnet i biofilteret også påvirket av  partikkelbelastningen (Figur 12).

Forfattere på artikkelen er Ole-Kristian Hess-Erga, Paulo M. Fernandes, Sara Calabrese, Simen Fredriksen, Håkon Dahle, Mark Powell, Irene Roalkvam, Melanie Andrews, Paula Rojas-Tirado, Endre Steigum, Ludvik Wolfgang Forbord Fiksdal, Leif Refsnes Bø, Stian Ringbakken Stenhaug, Ingrid Bakke

Artikkelen ble først publisert på kyst.no.