The effect of organic load on the rearing water and biofilter biofilm microbiota across the freshwater and brackish water phases in RAS with Atlantic salmon (Salmo salar)

Abstract

Oppdrett av Atlantisk laks opplever for tiden betydelig vekst innenfor landbaserte resirkulerende akvakultursystemer, spesielt for smoltproduksjon. Biofilteret i RAS spiller en avgjørende rolle i å opprettholde ideell vannkvalitet og fiskehelse gjennom aktiviteten til mikroorganismer. Imidlertid vet vi lite om hvordan biofilterfunksjonen og de mikrobielle samfunnene forbundet med RAS vann og biofilterbiofilm påvirkes av organisk belastning.

Denne avhandlingen hadde som mål å undersøke ferskvanns- og brakkvannsfasen i RAS for Atlantisk laks og effekten av høy organisk belastning på de mikrobielle samfunnene i biofilterbiofilm og oppdrettsvann. For å oppnå dette ble seks identiske RAS undersøkt, hvorav tre RAS ble drevet under forhold med høy organisk belastning og tre RAS ble drevet under forhold med lav organisk belastning. Daglige målinger av vannkvalitet, inkludert nitrogenholdige stoffer, ble utført. Deretter ble totalt 206 prøver fra biofilteret og RAS vannet analysert ved bruk av mikrobiell samfunnsanalyse ved Illumina-sekvensering av variable V3-V4 regioner av 16S rRNA-genampliconer, etterfulgt av databehandling og statistiske analyser.

Biofilterbiofilmen og suspendert vann mikrobiota viste betydelige forskjeller mellom RAS drevet med høy organisk belastning og RAS drevet med lav organisk belastning i brakkvannsfasen, noe som tyder på at organisk belastning spilte en rolle i utformingen av biofilmens mikrobiota. Generelt ble de dominerende ordener som karakteriserte den mikrobiell samfunnsstruktur i RAS vannprøvene klassifisert som Rhodobacterales, Flavobacteriales, Burkholderiales og Cytophagales. Den mikrobielle sammensetningen i biofilmbærere av både RAS operert med høy organisk belastning og RAS operert med lav organisk belastning var hovedsakelig preget av ordener Rhodobacterales, Flavobacteriales, Saprospirales og Burkholderiales. I tillegg utforsket denne studien forskjellene i mikrobiell sammensetning mellom 0,2 µm og 8 µm filtrerte vannprøver, og avslørte betydelige forskjeller i disse mikrobielle samfunnene i ferskvannsfasen. ASV-ene som bidro mest til disse ulikhetene ble klassifisert som Lacihabitans, Comamonadaceae og Rhodobacterace.

Ytterligere forskning på dette feltet vil øke vår forståelse av de intrikate sammenhengene mellom organisk belastning, mikrobielle samfunn og ytelsen til RAS i produksjon av Atlantisk laks.

Atlantic salmon aquaculture is experiencing significant growth in land-based recirculating aquaculture systems (RAS), particularly for smolt production. The biofilter within RAS plays a crucial role in maintaining ideal water quality and fish health through the activities of microorganisms. However, it is not well understood how biofilter function and the microbial communities associated with RAS water and biofilter biofilm are influenced by organic load.

This thesis aimed to investigate the freshwater and brackish water phase of Atlantic salmon RAS and the effect of high organic load on the microbial communities in the biofilter biofilm and rearing water. To address this aim, six identical RAS were examined, with three RAS operated with high organic load and three RAS operated with low organic load. Daily measurements of water quality, including nitrogenous substances, were conducted. Subsequently, a total of 206 samples from the biofilter and RAS water were subjected to microbial community analysis by Illumina sequencing of the variable V3-V4 regions of the 16S rRNA gene amplicons, followed by data processing and statistical analyses.

The biofilter biofilm and water-suspended microbiota differed significantly between the RAS operated at high organic load and the RAS operated at low organic load during the brackish water phase, indicating that the organic load played a role in shaping the biofilm microbiota. In general, the dominant orders characterizing the microbial community composition in the RAS water samples were Rhodobacterales, Flavobacteriales, Burkholderiales and Cytophagales. The microbial community composition in biofilm carriers of both the RAS operated at high organic load and the RAS operated at low organic load was mainly characterized by the orders Rhodobacterales, Flavobacteriales, Saprospirales and Burkholderiales. Additionally, this study explored the differences in microbial compositions between 0.2 µm and 8 µm filtered water samples, revealing significant distinctions in these microbial communities’ freshwater phase. Notably, the amplicon sequence variants (ASV) contributing the most to these dissimilarities were classified as Lacihabitans, Comamonadaceae and Rhodobacteraceae.

Further research in this field will enhance our understanding of the intricate relationships between organic load, microbial communities, and the performance of RAS in Atlantic salmon production.