Nitrous oxide and hydrogen sulfide production in sludge from a recirculating aquaculture system (RAS)

Abstract

Recirculating aquaculture systems (RAS) blir mer og mer vanlig, som svar på de økologiske og økonomiske problemene som finnes i oppdrettsnæringen. Sjøvann brukt i marine RAS er rikt på sulfat, og kombinert med organisk avfall fra oppdrettsfisk skaper det ideelle forhold for sulfatreduserende bakterier. Disse mikroorganismene bruker sulfat til anaerobisk respirasjon og produserer hydrogensulfid, et kjemikalie som er svært gifitg for fisk. Det ble formet en hypotese om at tilførsel av nitrat til systemet ville hemme reduksjon av sulfat og forsinke produksjon av hydrogensulfid. En annen hypotese ble formet om at tilførsel av nitrat til et suboksisk system ville føre til ufullstendig denitrifisering og produksjon av dinitrogenoksid, en kraftig klima- og ozonnedbrytende gass. Et eksperiment ble planlagt hvor slam fra Nofimas RAS på Sunndalsøra ble blandet med sjøvann fra Trondheimsfjorden i 48 ravgule glassflasker med skrukork. Halvparten av flaskene ble tilsatt nitrat. Flaskene ble ristet to ganger om dagen og ble tatt prøver av og analysert i følge et variabelt tidsskjema over 25 dager. Konsentrasjoner av dinitrogenoksid, nitrogenoksid, nitrat, nitritt, ammonium, hydrogensulfid og hydrogengass ble målt. Tilførsel av nitrat viste seg å hemme produksjon av hydrogensulfid, både I form av forsinket produksjon og lavere maksimum. Tilførsel av nitrat viste seg også å være gjenstand for ufullstendig denitrifisering, og en betydelig mengde dinitrogenoksid ble produsert.

Recirculating aquaculture systems (RAS) are becoming increasingly common, in response to ecological and economical challenges faced by the aquaculture industry. The sulfate-rich seawater used in marine RAS combined with massive amounts of organic waste from the farmed fish create ideal conditions for sulfate reducing bacteria (SRB). These microorganisms use sulfate for anaerobic respiration and produce hydrogen sulfide in the process, a chemical with very high fish toxicity. It was hypothesized that adding nitrate in excess to the system would inhibit sulfate reduction and delay hydrogen sulfide production. It was also hypothesized that excess nitrate addition to suboxic conditions would lead to incomplete denitrification and accumulation of nitrous oxide, a powerful climate forcing agent and ozone depleting substance. An experiment was designed where sludge from a Nofima recirculating aquaculture system in Sunndalsøra, Norway was mixed with seawater from Trondheimsfjorden in 48 amber glass, screw-cap bottles. Half of the bottles had nitrate added to them. Bottles were shaken twice per day and sampled and analyzed according to a variable schedule over 25 days. Concentrations of nitrous oxide, nitric oxide, nitrate, nitrite, ammonium, hydrogen sulfide, and molecular hydrogen were measured. Nitrate addition was indeed found to inhibit production of hydrogen sulfide, both in terms of a delay and a lower peak concentration. Added nitrate in the system was also found to undergo incomplete denitrification and produce a considerable amount of nitrous oxide.