Oppstart av ferskvanns- og brakkvanns-biofilmreaktorer i RAS: Nitrifikasjonsaktivitet og mikrobiell samfunnstruktur

Abstract

Atlantisk laks (Salmo salar) i postsmoltfase er sårbar, og i sjømerder utsettes fisken for sykdommer og miljøbetinget stressfaktorer. En lenger oppholdsperiode i landbasert resirkulerende akvakultur system (RAS) kan redusere tiden i sjømerder, og kan føre til større og mer tilpasningsdyktig fisk. Tidligere forskning har vist at landbasert oppdrett av postsmolt kan være fordelaktig i brakkvann og sjøvann. På en annen side så vil økt salinitet utfordre nitrifiserende bakterier i biofilteret, og det har i tillegg blitt vist at sjøvanns-biofilter har lenger oppstartstid enn ferskvanns-biofilter.

I denne masteroppgaven ble oppstart av ferskvann og brakkvann moving bed biofilm reactor (MBBR) sammenlignet. Kapasitetstest av nitrifikasjonsprosessen, uorganisk nitrogen massebalanse og 16S rDNA Illumina sekvensering ble brukt til å kvantifisere nitrifikasjonsaktivitet og til å kartlegge nitrifiserende samfunn i biofilmbærere (F, B), MBBR-vann (F-W, B-W) og inntaksvann (FWin, SWin). Nitrifikasjonsdata viste fullstendig nitrifikasjon i begge reaktorene etter 60 dager. Ammoniakk-oksidasjonskapasitet var lignende mellom F og B, mens nitritt-oksidasjonskapasitet var 23% raskere i F enn B. Inntaks-ferskvann inneholdt høyere mengde nitrifiserende bakterier enn inntaks-sjøvann (UV-bestrålt), noe som tyder på at inokuleringen av nitrifiserende bakterier kan ha foregått raskere i F enn B under første fase av oppstart. Videre resulterte økt salinitet med ustabil suksesjon i B som antakeligvis har ført til forstyrrelser i mutualismen mellom ammoniakk-oksiderende og nitritt-oksiderende bakterier. For å konkludere så viser resultatene at brakkvanns-biofilter kan utvikle fullstendig nitrifikasjon like raskt som ferskvanns-biofilter, og derfor kan oppstart med brakkvann være en hensiktsmessig metode i landbasert postsmolt-produksjon.

Et annet mål med oppgaven var å undersøke effekten av forlenget oppstartsperiode på nitrifikasjons-kapasitet og bakteriell samfunnsstruktur i brakkvanns-MBBR. Den relative mengden av nitrifiserende bakterier økte og stabiliserte seg, som førte til signifikant forskjell i ammoniakk-oksidasjonskapasitet sammenlignet med oppstartsperioden. Derfor kan en forlenget oppstartsperiode være fordelaktig for å danne en robust nitrifiserende biofilm. Et siste mål med oppgaven var å studere effekten av settefisk på en ung ferskvanns biofilm. Nitrifikasjons-kapasitet og nitrifiserende samfunn endret seg ikke signifikant etter to uker med nitrogen-belastning fra fôring av fisk. Dette viste at 60 dager med oppstart er nok for å etablere en robust nitrifiserende ferskvanns-biofilm.

Atlantic salmon (Salmo salar) post-smolt phase is fragile and prone to diseases and environmental stressors when transferred to sea cages. To shorten the time spent in sea cages, a longer rearing period in land-based recirculating aquaculture systems (RAS) may result in larger and more robust fish, which may adapt more easily to environmental fluctuations in sea cages. Previous research has shown that rearing of post-smolt may be preferable in brackish water and seawater. However, increased salinity challenges the nitrifying bacteria of the RAS biofilter, and it has been shown that start-up time of seawater biofilters takes longer than start-up time of freshwater systems.

In this thesis, the parallel start-up of freshwater and brackish water moving bed biofilm reactors (MBBRs) were compared. Nitrification capacity tests, inorganic nitrogen mass balance and 16S rDNA Illumina sequencing were used to quantify nitrification activity and to map the nitrifying community of biofilm carriers (F, B), MBBR water (F-W, B-W) and inlet water (FWin, SWin) samples. The nitrification performance showed that complete nitrification was achieved after 60 days of start-up in both reactors. Ammonia oxidation capacity was similar between F and B, while nitrite oxidation capacity was 23% faster in F than B. Inlet freshwater had a higher abundance of nitrifying bacteria than inlet seawater (UV-irradiated) from initial phase of start-up, and therefore the inoculation of nitrifying bacteria seemed to be faster in F than B. Furthermore, the higher salinity resulted in unstable bacterial succession in B, and it probably disrupted the mutualism between ammonia and nitrite oxidizing bacteria. In conclusion, the results show that brackish water biofilters can develop full nitrification as rapidly as freshwater biofilms. Therefore, initial start-up with brackish water may be a feasible strategy in land-based post-smolt production.

Another objective was to examine the effect of prolonged start-up period on nitrification capacity and bacterial community structure of brackish water MBBR. The relative abundance of the nitrifying community increased and was stabilized, which resulted in different ammonia oxidizing capacity compared to start-up period. Hence, a prolonged start-up period of brackish water biofilters may be beneficial to achieve a robust nitrifying biofilm. A final objective was to investigate the effect of stocking fish to a young freshwater MBBR. Nitrification capacity and nitrifying community did not change significantly after two weeks of nitrogen load from feeding the fish. This demonstrated that 60 days of start-up was enough to establish a robust nitrifying biofilm.