Bioremediation Potential of the Green Algae Ulva sp. Cultivated in Marine Recirculating Aquaculture Systems (RAS)

Abstract

Ulva er en utbredt grønnalgeslekt som på grunn av dens høye toleranse for ulike temperaturer, vannkvaliteter, næringsnivåer og saltholdigheter har et lovende potensiale når det gjelder opptak av næringsstoffer fra avfallsvann fra resirkulerende akvakultursystemer (RAS). Opptaket av ammonium (NH4+), nitritt (NO2-), nitrat (NO3-) og fosfat (PO43-) fra avfallsvann, som stammer fra RAS oppdrett av atlantisk laks (Salmo salar) smolt og post smolt, ble studert i Ulva sp. høstet fra kysten av Midt-Norge i april og september 2021. Det ble gjennomført to opptaksforsøk, som begge bestemte opptaksraten av nitrogen og fosfor ved å følge reduseringen av næringskonsentrasjoner i substratet over en inkubasjonsperiode på 8 og 10 timer. Opptaket ble enten målt for næringskonsentrasjoner i en gradient fra 25 % til 100 % RAS-vann, eller i en biomasse gradient fra 0,25 g våtvekt (VV) til 4 g VV makroalge per 250 mL med samme RAS-vannkonsentrasjoner.

Opptaksraten av ammonium, relatert til tørrvekten av biomassen (TV), viste et lineært forhold med RAS-vann konsentrasjonene. Den maksimalt målte opptaksraten av ammonium var 387 ± 18 µg gTV-1 time-1 for 100 % RAS-vann (~ 160 µM NH4+). Foretrukket nitrogenkilde i Ulva sp. ble funnet å være sterkt påvirket av forholdet mellom tilgjengelig nitrat og ammonium i avfallsvannet fra RAS. Ved et nitrat:ammonium forhold på 12:1 ble ammonium vist å være den foretrukne nitrogenkilden, og hemmet følgelig opptak av nitrat. Ved et høyere nitrat:ammonium forhold (152:1) ble det imidlertid konstatert et opptak av nitrat i tillegg til ammoniumopptak innen de første 80 minuttene av forsøksperioden, med et maksimalt målt nitratopptak på 54 748 ± 7 366 µg gTV-1 time-1.

Den laveste tettheten testet for i denne studien (0,25 g VV per 250 mL) ble funnet å ha den høyeste opptaksraten av ammonium (82 ± 3 µg gTV-1 time-1) og nitrat (54 748 ± 7 366 µg gTV-1 time-1) relatert til biomasse, og opptakshastigheten sank negativt eksponentielt med en økning i tetthet. Den høyeste tettheten tok dog opp næringsstoffene fra RAS-mediet raskere sammenlignet med de lavere.

Vevskonsentrasjoner av karbon, nitrogen og fosfor ble funnet å ikke være signifikant forskjellig etter eksponering for høyt næringsmedium sammenlignet med den opprinnelige konsentrasjonen, noe som indikerer at vevskonsentrasjoner var en dårlig indikator for næringsopptak i denne studien. Imidlertid varierte karbon:nitrogen forholdene i vevet i kontroll-prøvene mellom Ulva sp. høstet i april (C:N-forhold på ~ 7) og september (C:N-forhold på ~ 13), muligens forklart av at eksperimentene ble utført før og etter våroppblomstringen av fytoplankton.

Fra resultatene i denne studien, kan den opportunistiske makroalgen Ulva sp. bli sett på som en mulig organisme til å rense avfallsvann og bioremediere næringsstoffer fra lavt saltholdig (~ 15 ppt) RAS-vann, da det har potensialet til å fjerne ammonium og nitrat. Vannet som går ut av biofilteret bør imidlertid ha et høyt nitrat:ammonium forhold for å optimalisere opptaket av nitrat, som er den mest rikelig nitrogenkilden i et slikt medium.

Ulva is a widespread green algal genus with promising potential regarding uptake of nutrients from Recirculating Aquaculture Systems (RAS) wastewater because of its high tolerance to various temperatures, water qualities, nutrient levels and salinities. The uptake of ammonium (NH4+), nitrite (NO2-), nitrate (NO3-) and phosphate (PO43-) from wastewater, originating from RAS farming of Atlantic Salmon (Salmo salar) smolt and post smolt, were studied in Ulva sp. collected from the coast of Central Norway in April and September 2021. Two uptake experiments were conducted, both determining the initial short-term nitrogen and phosphorus uptake kinetics, by following the depletion of substrate concentrations over an incubation period of 8 and 10 hours. The uptake was either measured for nutrient concentrations in a gradient from 25 % to 100 % RAS-water, or in a biomass density gradient ranging from 0.25 g wet weight (WW) to 4 g WW per 250 mL with same RAS-water concentrations.

Ammonium uptake rates, related to dry weight biomass (DW), revealed a linear relationship with RAS-water concentration. The maximum measured ammonium uptake rate was 387 ± 18 µg gDW-1 hour-1 for the 100 % RAS-water treatment (~ 160 µM NH4+). Preferred nitrogen source in Ulva sp. was discovered to strongly be affected by the ratio of available nitrate and ammonium in the wastewater from RAS. At a nitrate:ammonium ratio of 12:1, ammonium was found the be the favored nitrogen source regarding uptake, and consequently inhibited the uptake of nitrate. However, at a higher nitrate:ammonium ratio (152:1), an uptake in nitrate in addition to ammonium uptake was discovered within the first 80 minutes of the experimental period, with a maximum measured nitrate uptake of 54 748 ± 7 366 µg gDW-1 h-1.

The lowest density tested for in this study (0.25 gWW per 250 mL) were found to have the highest uptake rate of ammonium (82 ± 3 µg gDW-1 h-1) and nitrate (54 748 ± 7 366 µg gDW-1 h-1) related to biomass, and the uptake rate decreased negative exponentially with an increase in density. This can be explained by more nutrients being available per gram of Ulva sp. in the lower densities. However, the highest density (4 gWW per 250 mL) depleted the nutrients from the RAS medium more rapid compared to the lower ones.

Internal tissue concentrations of carbon, nitrogen and phosphorus were revealed to not be significantly different after exposure to high nutrient medium compared to the initial concentration, indicating that tissue concentrations were a bad indicator for nutrient uptake in this current study. However, initial carbon:nitrogen ratios in the tissue varied among Ulva sp. harvested in April (C:N ratio of ~ 7) and September (C:N ratio of ~ 13), possibly explained by the experiments being conducted pre and post phytoplankton spring-bloom.

From the results of the current study, the opportunistic macroalgae Ulva sp. was recognized as a potential organism to clean wastewater and to bioremediate nutrients from low saline (~ 15 ppt) RAS water as it holds the potential to remove ammonium and nitrate. However, the water released from the biofilter should have a high nitrate:ammonium ratio to optimize the removal rate of nitrate, which is the most abundant nitrogen source in such medium after water treatment in the biofilter.