Organic matter characterization of circular water in recirculating aquaculture system

Abstract

Kiinnostus kiertovesilaitoksiin (RAS) on kasvamassa, koska niissä kalaa voidaan viljellä ekologisesti optimaalisissa olosuhteissa ympäri vuoden. Ratkaistavana on kuitenkin joitain teknisiä ongelmia, ennen kuin viljely on kannattavaa Suomessa. Ongelmat liittyvät vedenlaadun ylläpitämiseen hyvänä, sillä liuenneet orgaaniset aineet (DOM) kertyvät kiertoveteen heikentäen veden laatua. Tämä tutkimus painottui DOM:n karakterisointiin korkean suorituskyvyn nestekromatografilla (HPLC-SEC) kokoekskluusiota, sekä samanaikaisesti UV254 -absorbanssi ja fluoresenssi detektiota käyttäen. Tutkimusympäristönä toimi Luken Laukaalla sijaitseva kiertovesilaitos, josta kolmen RAS-yksikön viikoittaisista vesinäytteitä analysoitiin kyseisellä menetelmällä orgaanisen aineen kertymistä. RAS-yksiköt 10, 8 ja 9 toimivat 250, 500 ja 750 L kg rehua-1 d-1 korvausveden määrillä kokeen kestäessä 105 päivää. Tutkimuksen tavoitteena oli tutkia siikojen kasvua, DOM -komponenttien kertymistä ja veden laatua näissä erillisissä yksiköissä. Tulokset osoittivat, ettei siikojen kasvussa ollut merkittävää eroa yksiköiden välillä. Typpiyhdisteiden: NH4- N+, NO2-N ja NO3-N, sekä liuenneen orgaanisen hiilen (DOC) ja kokonaistypen (TN) konsentraatiot ja kaikkien tutkittujen DOM-komponenttien signaalit olivat kokeen lopussa suurimmat 10-yksikössä, jossa veden vaihtuvuus oli pienin. 8 ja 9 -yksiköiden välillä erot olivat huomattavan pieniä, joissain tapauksissa tilastollisesti merkitseviä. Yksiköiden vesinäytteiden fluoresoivista yhdisteistä suurin osa oli fulvohappomaisia, joka oli peräisin korvausvedestä. Tulokset viittaavat siihen, että korvausveden suhteella 500 - 750 L kg rehua-1 d-1 toimivien yksiköiden puhdistussysteemi pystyi tehokkaasti puhdistamaan kiertovettä. Yksikössä 10, johon korvausvettä lisättiin 250 L kg rehua-1 d-1, DOM- ja typpiyhdisteitä kertyi kiertoveteen, mutta kokeen puolivälissä kyseisen yksikön puhdistusteho parani. DOM-komponenttien kertyminen saattaa lisätä riskiä patogeenien aiheuttamiin infektioihin ja siten lisätä kalakuolemia. On mahdollista, että täysimittaisella kasvatuskaudella intensiivinen kasvatus pienellä korvausveden määrällä heikentää kalojen kasvua ja terveyttä. Mahdollisten makuvirheiden syntyminen intensiivisessä RAS -yksikössä tutkitaan tähän pro gradu -työhön liittyvässä tutkimuksessa.

The recirculating aquaculture system (RAS) is a prominence ecological method to farm fish in optimal circumstances annually. Interest among this aquaculture form has increased recently, however, some technical problems must be solved before RAS could be taken to commercial fish production in Finland. These problems are related to water quality, dissolved organic matter (DOM) is known to accumulate to the system and weaken the water quality by increasing microbial activity and chemical and biological oxygen demand. The focus on this study was on characterizing DOM with size-exclusion high-performance liquid chromatography (HPLC-SEC) with fluorescence and absorbance detection from the weekly samples, of Laukaa’s experimental RAS facility operated by Luke. The DOM-components studied were UVA254, tyrosine-, tryptophan-, humic- and fulvic acid-like fluorescence compounds, which were separated further to seven fractions with size exclusion -column. The experiment was ongoing for 105 days. The aim was to study European whitefish (Coregonus lavaretus) growth, DOM accumulation and different water quality parameters of the data of the experiment in three different RAS, 8, 9 and 10, where renewal water rates (RWR) were relatively 500, 750 and 250 L kg-1 feed . The results showed that there were no significant differences between fish growth studied by feed conversion rate (FCR) nor by specific growth rate (SGR) between the three RAS. Concentration of nitrogen compounds NH4-N+, NO2-N and NO3-N, and dissolved organic carbon (DOC), total nitrogen (TN) and signals of all DOM-components were significantly higher in RAS 10 at the end of the experiment, where the renewal water rate (RWR) was the smallest. DOM-components did not accumulate in RAS 8 and 9, but in RAS 10 accumulation was observed in all DOM-components. Tank water samples fluorescence compounds were formed in average of 55.1 ± 0.6 % of fulvic acid-like, 21.5 ± 0.3 % of tryptophan-like, 16 ± 0.2 % of humic acid-like and 7.4 ± 0.7 % of tyrosine-like compounds. This study suggests that there is no difference in whitefish growth between RWR of 250 - 750 L kg-1 feed in 105 days long period. When RWR is as low as 250 L kg-1 feed, accumulation of DOM, DOC, TN and nitrogen compounds occurs in RAS. That may increase risk of infection, or cause odor problems in fish meat. During a complete growing season, fish growth may decrease, due the worse water quality with intensive RAS system.