The Effects of Biofilter Disinfection on Nitrification Capacity and Bacterial Communities in RAS with Atlantic salmon (Salmo salar L.) fry

Abstract

Resirkulerende akvakultursystemer (RAS) har økt i popularitet for produksjon av atlantisk laksesmolt (Salmo salar L.) i Norge. I tillegg til lavere vannforbruk enn i tradisjonelle gjennomstrømningssystemer (FTS), bidrar fordeler som høy kontroll over miljøfaktorer og vannkvalitet til å øke fiskevelferden og produksjonseffektiviteten. Betydningen av de mikrobielle samfunnene for fiskevelferd og kjemisk vannkvalitet har fått økende anerkjennelse. Biosikkerheten er generelt høy i RAS, men en økende bekymring for utbrudd av patogener har aktualisert hvorvidt bruken av desinfeksjon bør utvides som et preventivt tiltak. Biofilteret i RAS er en sentral komponent for å sikre fjerning av nitrogenforbindelser som er toksiske for fisken, men det er bekymring for om det kan fungere som et reservoar for patogener. Derfor er kjemisk desinfeksjon av biofilteret mellom produksjonsbatcher en foreslått strategi i kommersiell produksjon. Desinfeksjon av biofilteret påviker dynamikken i de mikrobielle samfunnene i RAS, men hvordan og i hvilken grad, er ikke fullstendig kjent. I følge økologisk teori vil desinfeksjon av biofilteret føre til økt sannsynlighet for invasjon fra patogener.

Oppgaven har undersøkt hvorvidt det modne biofilteret kan motvirke invasjon fra opportunistiske bakteriestammer. To lab-skala RAS med lakseyngel ble brukt, der det ene systemet hadde et biofilter med biofilmbærere som var delvis desinfisert, slik at nitrifikasjonskapasiteten var redusert til 20 \% av den initielle kapasiteten. Det andre systemet fungerte som en kontroll, der biofilmbærerne i biofilteret ikke var desinfisert. Videre ble rene kulturer av fire heterotrofe, antatt opportunistiske bakterieisolater tilsatt til begge RAS. Karakterisering av de mikrobielle samfunnene ble gjort ved Illumina-sekvensering av 16S rDNA amplikoner. De opportunistiske stammene koloniserte biofilmbærerne og vannet i det systemet som hadde desinfiserte bærerne på et signifikant nivå. I det systemet som hadde et modent biofilter, der bærerne ikke var desinfisert, etablerte ikke de opportunistiske stammene seg verken i biofilmbærerne eller i vannet. Videre var bakteriesamfunnene i systemet med modent biofilter mer stabile over tid. Samfunnene i biofilteret hadde høyere alfadiversitet enn samfunnene i vannet, og var mer stabile enn vannet over tid. De mikrobielle samfunnene i fisketarmen hadde signifikant lavere diversitet enn i biofilmbærerne og vannet, uavhengig av desinfeksjon av biofilteret.

Oppgaven har demonstrert den beskyttende rollen til det modne biofilteret under en invasjon fra fire opportunistiske bakteriestammer under oppdrett av lakseyngel i lab-skala RAS. Arbeidet har gitt ny og viktig kunnskap som kan være viktig for strategier for kontroll i biofilter i kommersielle RAS.

Recirculating Aquaculture Systems (RAS) are increasingly popular as a technology for the production of Atlantic salmon (Salmo salar L.) smolts in Norway. In addition to lower water use than in traditional flow-through systems (FTS), advantages such as the high control of environmental conditions and physicochemical water quality increase fish welfare and production efficiency. The importance of microbial communities for fish welfare and chemical water quality in RAS is increasingly acknowledged. Biosecurity is generally high in RAS, but increasing concern about pathogenic outbreaks has provoked the need for disinfection procedures as a preventive measure. The biofilter in a RAS is a central component to ensure the removal of toxic nitrogenous compounds. However, there is concern about whether it may serve as a reservoir for pathogens. Therefore, chemical disinfection of the biofilter between fish batches is a proposed strategy in commercial production. Disinfection of the biofilter influences the dynamics of the resident communities of the RAS, but how and to what extent under the introduction of opportunistic bacteria is poorly understood. However, according to ecological theory, disinfection of the biofilter would increase the probability of pathogen invasion.

This thesis investigated whether the mature biofilter community in a RAS can counteract an invasion from opportunistic bacterial strains. To explore this question, two lab-scale RAS with Atlantic salmon fry were used, where one RAS had a biofilter with biofilm carriers that were partly disinfected, lowering the nitrification capacity to 20 \% of the initial. The other RAS functioned as a control, having non-disinfected biofilm carriers in the biofilter. Further, pure cultures of four heterotrophic and presumably opportunistic bacterial isolates were introduced to both RAS. Characterization of the microbial communities of the biofilm carriers in the biofilter, rearing water and salmon gut was performed by Illumina sequencing of 16S rDNA amplicons. The opportunistic strains colonized the biofilm carriers and the rearing water of the RAS with disinfected biofilm carriers to a significant extent. In the RAS with non-disinfected biofilm carriers, i.e. mature, the opportunistic strains were not established either in the biofilm of the carriers or the rearing water. Moreover, the microbial communities in biofilm carriers and rearing water were more stable over time in the RAS with a mature biofilter. Regardless of the disinfection treatment, biofilm communities of the biofilter had higher alpha diversity than the rearing water communities and were significantly more stable over time. Also, the communities of the salmon gut were significantly less diverse than those of the biofilm carriers and rearing water, regardless of biofilter treatment.

This thesis has demonstrated the protective role of the mature biofilter during the invasion from four opportunistic bacterial strains during the rearing of Atlantic salmon fry in two lab-scale RAS. The work has provided new and vital knowledge that can be important for the management strategies for the biofilters of commercial RAS.