Effects of H2S and mitigation measures on microbial communities in Atlantic salmon (Salmo salar) smolt RAS

Abstract

Akvakultur er den raskest voksende matsektoren globalt og har betydelig potensial som en bærekraftig matkilde for å støtte den stadig økende globale befolkningen. Imidlertid presenterer den raske utvidelsen av denne sektoren betydelige utfordringer fra et helseforvaltningsperspektiv. Den gradvise overgangen av akvakulturproduksjon inn i resirkulerende akvakultursystemer (RAS), hvor vann gjenbrukes omfattende, kombinert med intensivering av produksjonen, resulterer i systemer med mange parametere som krever presis kontroll, noe som skaper svært komplekse miljøer. Et stort nylig problem i bransjen er dannelsen av hydrogensulfid (H2S) i RAS-enheter, en ekstremt giftig forbindelse som potensielt kan indusere plutselige massive dødsfall blant akvakulturbeholdningen. Opprinnelig ble RAS primært brukt i lakseakvakultur for smoltproduksjon i ferskvann. Imidlertid skifter industrien nå gradvis mot post-smoltproduksjon og til og med komplette produksjonssykluser i marine RAS. Bruken av sjøvann i RAS øker ytterligere risikoen for H2S-produksjon på grunn av den høye sulfatkonsentrasjonen i sjøvann, som kan føre til økt aktivitet av sulfatreduserende bakterier (SRB) under hypoksiske eller anoksiske forhold. Til tross for økende forskningsaktiviteter på dette emnet, mangler systematiske undersøkelser om påvirkningen av H2S på laksens velferd og mikrobiotaen i produksjonsmiljøet. Følgelig er effektive mottiltak og beslutningsstøtteverktøy for øyeblikket ikke tilgjengelige.

Denne studien hadde som mål å adressere utfordringene som H2S utgjør i RAS ved å undersøke virkningen av akutt, kortvarig H2S-eksponering primært på mikrobiotaen i systemet, og også på oppførselen til lakse-smolt. I tillegg utforsket studien effektiviteten av oksidasjon i å håndtere H2S-nivåer og kontrollere mikrobiota gjennom desinfeksjon, samtidig som den undersøkte virkningen av nevnte behandling på mikrobiotaen og fiskenes atferd. Det eksperimentelle oppsettet involverte fire RAS-enheter: en kontroll (RAS1), en enhet med kun H2S-eksponering (RAS2), og to enheter med H2S-eksponering pluss behandling, spesifikt ozonering (RAS3) og hydrogenperoksid (H2O2) kombinert med UV-C-behandling (RAS4). Hver RAS inneholdt 25 atlantisk laksesmolt og ble overvåket ved hjelp av både over- og undervannskameraer. Mikrobiotaprøver ble samlet over en 20-dagers periode, inkludert både akklimatiserings- og eksponeringsfaser, og deres sammensetning og mangfold ble analysert ved hjelp av 16S rRNA-gen-sekvensering. H2S-nivåer ble overvåket med to kommersielle sensorer, og desinfeksjonseffektivitet ble vurdert gjennom CFU-telling og digital PCR.

Resultatene indikerte ingen signifikante effekter fra H2S-eksponeringen og behandlingene på mikrobiotaen eller oppførselen til laksesmolt. Merk at H2S-eksponeringskonsentrasjonene nådde nivåer betydelig høyere enn de tidligere identifiserte kritiske nivåene. Behandlingene syntes imidlertid å tilby potensielle tilleggsgoder, som H2S-håndtering og desinfeksjonsaktivitet. Studien var imidlertid ikke konkluderende når det gjaldt de potensielle effektene av akutt, kortvarig H2S på mikrobiota og fiskeatferd, samt effektiviteten av behandlingsmetodene. Derfor anses videre forskning som nødvendig for å undersøke de kortsiktige og langsiktige effektene av H2S-eksponering og behandling, både akutte og kroniske, ettersom denne studien kun benyttet noen få dager med eksponering og behandling på RAS-enhetene.

Aquaculture is the fastest-growing food sector globally and holds significant promise as a sustainable food source to support the ever-increasing global population. However, from a health management perspective, the rapid expansion of this sector presents considerable challenges. The gradual transition of aquaculture production inland into Recirculating Aquaculture Systems (RAS), where water is extensively reused, coupled with the intensification of production, results in systems with numerous parameters that require precise control, creating highly complex environments. A major recent problem in the industry is the formation of hydrogen sulfide (H2S) in RAS units, an extremely toxic compound that can potentially induce sudden massive mortalities among the aquaculture stock. Initially, RAS was primarily used in salmon aquaculture for smolt production in freshwater. However, the industry is now gradually shifting towards post-smolt production and even complete production cycles in marine RAS. The use of seawater in RAS further increases the risk of H2S production due to the high sulfate concentration in seawater, which can lead to the increased activity of sulfate-reducing bacteria (SRBs) under hypoxic or anoxic conditions. Despite increasing research activities on this topic, systematic investigations on the impact of H2S on salmon welfare and the microbiota of its production environment are lacking. Consequently, effective countermeasures and decision support tools are currently unavailable.

This study aimed to address the challenges posed by H2S in RAS by investigating the impact of acute, short-term H2S exposure primarily on the microbiota present in the system, and also on the behavior of salmon smolt. Additionally, the study explored the efficacy of oxidation in managing H2S levels and controlling microbiota through disinfection, while investigating the impact of said treatment on the microbiota and on the behavior of the fish. The experimental setup involved four RAS units: a control (RAS1), a unit with H2S exposure only (RAS2), and two units with H2S exposure plus treatment, specifically ozonation (RAS3), and hydrogen peroxide (H2O2) coupled with UV-C treatment (RAS4). Each RAS housed 25 Atlantic salmon smolts and was monitored using both above- and underwater cameras. Microbiota samples were collected over a 20-day period, including both acclimation and exposure phases, and their composition and diversity were analyzed using 16S rRNA gene sequencing.H2S levels were monitored with two commercial sensors, and disinfection efficiency was assessed through CFU counting and digital PCR.

The results indicated no significant effects from the H2S exposure and treatments on the microbiota or the behavior of the salmon smolt. Notably, H2S exposure concentrations reached levels significantly higher than those previously identified as critical. However, the treatments seemed to potentially offer additional benefits, such as H2S management and disinfection activity. The study's results were inconclusive regarding the potential effects of acute, short-term H2S exposures on microbiota and fish behavior, as well as the efficacy of the treatment methods. Therefore, further research is deemed necessary to investigate the short and long term effects of H2S exposure and treatment, both acute and chronic, as this study utilized only a few days of exposure and treatment on the RAS units.