Bioremediation of aquaculture sludge by cultivation of Hediste diversicolor (O.F. Müller, 1776)

Abstract

Oppdrett av Atlantisk laks (Salmo salar) produserer store mengder organisk partikulært avfall. I motsetning til åpne havmerder, samles det partikulære avfallet som slam ved landbaserte oppdrettsanlegg. Bioremediering av dette næringsrike restavfallet fra oppdrettsnæringen gjennom kultivering av lavtrofiske arter i Integrert Multi-Trofisk Akvakultur (IMTA) har blitt foreslått som en potensiell løsning på avfallsproblematikken og ressursutnyttelsen i oppdrettsnæringen.

Ved å fôre grupper av børstemarken Hediste diversicolor (O.F. Müller, 1776) i en kultiveringsrigg på en gradient av ulike mengder slam fra enten smolt (S) eller post-smolt (PS) anlegg (5-40% av børstemarkens totale nitrogeninnhold fôret daglig), var målet med denne studien å undersøke det bioremedierende potensialet til arten. Under kultiveringsforsøket ble det etablert en positiv korrelasjon mellom fôrmengde og den gjennomsnittlige individuelle spesifikke vekstraten (%SGR) til børstemarken, hvor individene som mottok de høyeste fôringsnivåene oppnådde en %SGR sammenlignbar med resultater fra tidligere forsøk på samme art. Det ble ikke observert en stagnering av vekstrate ved høyere fôringsnivåer, noe som tyder på at H. diversicolor kan oppnå høyere %SGR ved større fôringsintensitet enn hva som ble prøvd under dette eksperimentet, selv om betydelige variasjoner mellom replikanter av samme fôringsnivå gjorde det vanskelig å identifisere trender og signifikante forskjeller. Ved kjemiske analyser av børstemarken før og etter fôringsforsøket samt av de to slamtypene ble effektiviteten av den biologiske resirkulasjonen av karbon (C), nitrogen (N) og fosfor (P) fra slammet under forsøket bestemt basert på standardiserte metoder for bestemmelse av tørrstoff (DM), C, N, P og total organisk material (TOM). Det gjennomsnittlige innholdet av C, N og P i H. diversicolor i alle fôringsnivå økte under fôringseksperimentet, hvor det laveste fôringsnivået resulterte i det laveste opptaket. Hvor stor andel av tilgjengelig C, N og P fra fôret som ble tatt opp og omdannet til ny børstemark biomasse igjennom vekst varierte stort mellom replikanter, hvorav P var næringsstoffet undersøkt som ble dårligst utnyttet, tilsvarende bare 1% av den totale mengden P fôret. Det høye P-innholdet i slammet sammenlignet med i H. diversicolor er den sannsynlige forklaringen på den lave utnyttelsen. Både C og N i slammet ble mer effektivt utnyttet.

Det konkluderes med at både S og PS slam virker å være godt egnet som fôrkilde for H. diversicolor, da hverken vekst eller næringsutnyttelse påvirkes signifikant på tross av de kjemiske forskjellene i innholdet av de to slamtypene. Men den lave omgjøringen av C, N og P fra slammet og til ny børstemark biomasse bør tas i betraktningen ved bruk av H. diversicolor som en bioremedierende art, og en kombinasjon av næringsresirkulerende prosesser kan være aktuelt. Eksperimentelle studier hvor H. diversicolor fôres med større mengde slam og med flere replikanter bør utføres for å videre fastslå artens bioremedierende potensial.

The farming of Atlantic salmon (Salmo salar) produces large quantities of particulate organic waste. Unlike open-cage systems, in land-based systems, this organic waste is collected as sludge via filtration processes, and bioremediation through Integrated Multi-Trophic Aquaculture (IMTA) has been proposed to utilize these nutrient rich discharges, by cultivating species that feed on this waste.

The objective of the present study was to assess the bioremediation potential of cultivating the deposit feeding polychaete H. diversicolor (O.F. Müller, 1776) on Atlantic salmon aquaculture sludge. Groups of polychaetes were fed with a gradient of increasing amounts of both smolt (S) and post-smolt (PS) sludge (5-40% of the polychaetes total nitrogen content fed daily). A positive correlation between specific growth rates (%SGR) and amount of feed supplied (% N) was found, and mean individual %SGR of polychaetes receiving the higher feeding levels were comparable to growth rates found in previous studies. No stagnation of growth rates was observed with increased feeding intensity, indicating that polychaetes were able to tolerate even higher feeding intensities than tested in the present study, although high variations between mean %SGR of tank replicates made it hard to identify significant differences and clear patterns.

By chemical analysis of the polychaetes pre and post feeding and of the sludge offered, the efficiencies of the biological recirculation of carbon (C), nitrogen (N) and phosphorus (P) were determined based on standardized methods for determination of dry matter (DM), C, N, P and total organic matter (TOM). The polychaetes were found to increase their C, N and P content during the feeding period in all sludge feeding levels , with the lowest mean increase registered in the lowest feeding level. The efficiency in converting C, N and P content in the sludge into new polychaetes biomass by growth varied considerably, with P being the poorest utilized nutrient only accounting for 1% of the P supplied to tanks incorporated into new polychaete tissue. This can be explained by the high contents of P in aquaculture sludge compared to the nutritional needs of the polychaetes. The conversion of N and C was more efficient.

It is concluded that both S and PS sludge appears to be well suited as a sole feed source for H. diversicolor, with neither growth nor conversion efficiencies significantly affected by the differences in the chemical content between the two sludge types. However, the low conversion efficiencies, especially of P, should be taken into consideration when applying them as a bioremediation species, as they are not likely to utilize all of the available nutrients, thus possibly making a combination of sludge treatment processes favourable. Experimental studies feeding polychaetes on even higher feeding levels of sludge with higher replicate numbers than tested in the present study should be performed to determine the optimal feeding intensity for growth and nutrient recycling.