University of Jyväskylä | JYX Digital Repository

  • English  | Give feedback |
    • suomi
    • English
 
  • Login
JavaScript is disabled for your browser. Some features of this site may not work without it.
View Item 
  • JYX
  • Opinnäytteet
  • Väitöskirjat
  • View Item
JYX > Opinnäytteet > Väitöskirjat > View Item

Microbiology of biological filters in recirculating aquaculture systems

Thumbnail
View/Open
15. Mb

Downloads:  
Show download detailsHide download details  
Published in
JYU dissertations
Authors
Pulkkinen, Jani
Date
2020

 
As aquaculture production continues to increase, new technologies have been developed to minimize nutrient emissions or even recover them into other applications. Recirculating aquaculture systems (RAS) may increase aquaculture production in areas where water source is limited, and the amount of nutrient discharges affects the granting of environmental licenses. The cost–effectiveness of RAS limits the future expansion of the technology, and in particular, the management of the microbial environment has become one of the main challenges affecting the operation of RAS farms. In this dissertation, I examined the microbiology of RAS. The work focused on the nitrification process and microbial community composition in bioreactors and their connections to changes in water quality. Nitrification may be rapidly started by adding ammonia and nitrite salts to the system. I found that bioreactors had diverse microbial communities that affected several water quality parameters. The main function of microbial communities found in freshwater RAS compartments was the degradation of carbohydrates, amino acids, and lipids. When RAS was changed to use brackish water, microbial communities were seen to slowly adapt. However, the degradation of carbohydrates decreased, which was also reflected in elevated concentrations of total organic carbon and the dissolved organic matter in the water. Desinfectant (peracetic acid) addition improved water quality and did not disturb biofilter microbial communities. The fixed bed bioreactors (FBBR) trap solids and organic matter inside the reactor, but potentially also host bacterial communities specialised in the degradation of organic matter. Nitrification performance was decreased in the FBBR, but this may have been caused by the incorrect design of the reactor. The moving bed bioreactors (MBBR) may release the excess bacterial biomass into the water, but the technique kept the biofilm thin and allowed for a functionally diverse bacterial community. Keywords: 16S rRNA gene; bacterial communities; microbiome; next-generation sequencing; nitrification; rainbow trout; quantitative PCR. ...
 
Vesiviljelytuotannon jatkuvan lisääntymisen myötä on kehitetty myös uusia tekniikoita, joilla ravinnepäästöt voidaan minimoida tai jopa kierrättää muihin sovelluksiin. Kalojen kiertovesikasvatuksella (RAS) vesiviljelytuotantoa voidaan lisätä alueilla, joilla on pulaa vedestä tai ravinnepäästöjen määrä vaikuttaa merkittävästi ympäristöluvan myöntämiseen. Kiertovesikasvatuksen kustannustehokkuus rajoittaa tekniikan käyttöönottoa, ja erityisesti mikrobiympäristön hallinta on noussut yhdeksi suurimmista kiertovesilaitoksen toimintaan vaikuttavista haasteista. Väitöskirjatyössäni tarkastelin kalojen kiertovesikasvatuksen mikrobiologisia prosesseja. Työssä keskityttiin nitrifikaatioprosessiin sekä muihin bioreaktoreissa tapahtuviin mikrobiologisiin toimintoihin ja niiden yhteyksiin veden laatuun liittyviin muutoksiin. Bioreaktorin käynnistysvaiheessa nitrifikaatio voidaan aloittaa nopeasti syöttämällä ammoniakki ja nitriittiä kiertoveteen. Havaitsin, että bioreaktoreissa oli monipuolisia mikrobiyhteisöjä, jotka vaikuttivat vedenlaatuun eri tavoin. Mikrobiyhteisöjen pääasiallisia toimintoja olivat hiilihydraattien, aminohappojen ja lipidien hajotus, mikä oli yhteydessä kalojen ulosteen koostumukseen kanssa. Kun kiertovesijärjestelmä vaihdettiin käyttämään murtovettä, mikrobiyhteisöt sopeutuivat hitaasti muutokseen. Sen sijaan hiilihydraattien hajotus väheni, mikä ilmeni myös veden kohonneina orgaanisen hiilen ja liuenneen orgaanisen aineen pitoisuuksina. Peretikkahapon lisäämien kiertoveteen paransi vedenlaatua mutta ei vaikuttanut mikrobiyhteisöihin. Kiinteäpetiset bioreaktorit voivat siepata kiinto- ja orgaanista ainetta kantoaineeseen, mutta niiden bakteeriyhteisöt voivat myös erikoistua orgaanisen aineen hajottajiksi. Nitrifikaation teho heikkeni kiinteäpetisessä bioreaktorissa, mutta tämä saattoi johtua reaktorin virheellisestä suunnittelusta. Liikkuvapetiset bioreaktorit vapauttavat ylimääräisen bakteeribiomassan veteen, mutta tekniikan avulla bakteeribiofilmi pysyi ohuena ja mahdollisti toiminnallisesti monipuolisen bakteeriyhteisön. Avainsanat: 16S rRNA geeni; bakteeriyhteisöt; kirjolohi; kvantitatiivinen PCR; microbiomi; nitrifikaatio; uuden sukupolven sekvensointi. ...
 
ISBN
978-951-39-8197-6
Contains publications
  • Artikkeli I: Pulkkinen J.T., Kiuru T., Aalto S.L., Koskela J. & Vielma J. 2018. Startup and effects of relative water renewal rate on water quality and growth of rainbow trout (Oncorhynchus mykiss) in a unique RAS research platform. Aquacultural Engineering 82: 38–45. DOI: 10.1016/j.aquaeng.2018.06.003
  • Artikkeli II: Pulkkinen J.T., Eriksson-Kallio A.M., Aalto S.L., Tiirola M., Koskela J., Kiuru T. & Vielma J. 2019. The effects of different combinations of fixed and moving bed bioreactors on rainbow trout (Oncorhynchus mykiss) growth and health, water quality and nitrification in recirculating aquaculture systems. Aquacultural Engineering 85: 98–105. DOI: 10.1016/j.aquaeng.2019.03.004
  • Artikkeli III: Suurnäkki S., Pulkkinen J.T., Lindholm-Lehto P.C., Tiirola M. & Aalto S.L. 2020. The effect of peracetic acid on microbial community, water quality, nitrification and rainbow trout (Oncorhynchus mykiss) performance in recirculating aquaculture systems. Aquaculture 516, 734534. DOI: 10.1016/j.aquaculture.2019.734534
  • Artikkeli IV: Pulkkinen J.T., Aalto S.L., Suurnäkki S., Vielma J. & Tiirola M. 2020. Microbiology of different compartments of freshwater and brackish water recirculating aquaculture systems. Submitted manuscript.
Keywords
vesiviljely (kalatalous) kalanviljely kirjolohi vedenpuhdistus biologinen puhdistus suodatus aineiden kierto nitrifikaatio bioreaktorit mikrobisto bakteerit DNA-analyysi polymeraasiketjureaktio 165 rRNA gene bacterial communities microbiome next-generation sequencing nitrification rainbow trout quantitative PCR
URI

http://urn.fi/URN:ISBN:978-951-39-8197-6

Metadata
Show full item record
Collections
  • Väitöskirjat [3177]

Related items

Showing items with similar title or keywords.

  • The effects of different combinations of fixed and moving bed bioreactors on rainbow trout (Oncorhynchus mykiss) growth and health, water quality and nitrification in recirculating aquaculture systems 

    Pulkkinen, Jani T.; Eriksson-Kallio, Anna M.; Aalto, Sanni L.; Tiirola, Marja; Koskela, Juha; Kiuru, Tapio; Vielma, Jouni (Elsevier BV, 2019)
    The effect of bioreactor design on nitrification efficiency has been well studied, but less is known about the overall impacts on water quality. Besides nitrification, submerged fixed bed bioreactors (FBBR) trap fine solid ...
  • The effect of peracetic acid on microbial community, water quality, nitrification and rainbow trout (Oncorhynchus mykiss) performance in recirculating aquaculture systems 

    Suurnäkki, Suvi; Pulkkinen, Jani T.; Lindholm-Lehto, Petra C.; Tiirola, Marja; Aalto, Sanni L. (Elsevier, 2020)
    Microbial biofilters control water quality and enable the overall function of recirculation aquaculture systems (RAS). Changes in environmental conditions can affect the abundance and interactions of the diverse microbial ...
  • Screening of microalgae and LED grow light spectra for effective removal of dissolved nutrients from cold-water recirculating aquaculture system (RAS) wastewater 

    Stevčić, Čedomir; Pulkkinen, Katja; Pirhonen, Juhani (Elsevier BV, 2019)
    Popularity of recirculating aquaculture systems (RAS) is increasing. Because of the high water recirculation rate, dissolved nutrients originating from fish feed are concentrated enough in RAS wastewater (WW) to enable ...
  • Microbiome response to foam fractionation and ozonation in RAS 

    Aalto, Sanni L.; Syropoulou, Elisavet; de Jesus Gregersen, Kim João; Tiirola, Marja; Bovbjerg Pedersen, Per; Pedersen, Lars-Flemming (Elsevier BV, 2022)
    Efficient water treatment is required to maintain high water quality and control microbial growth in recirculating aquaculture systems (RAS). Here, we examined the effects of two treatment methods, ozonation and foam ...
  • Is Aquaponics Beneficial in Terms of Fish and Plant Growth and Water Quality in Comparison to Separate Recirculating Aquaculture and Hydroponic Systems? 

    Atique, Faiqa; Lindholm-Lehto, Petra; Pirhonen, Juhani (MDPI AG, 2022)
    Aquaponics is a technique where a recirculating aquaculture system (RAS) and hydroponics are integrated to grow plants and fish in a closed system. We investigated if the growth of rainbow trout (Oncorhynchus mykiss) and ...
  • Browse materials
  • Browse materials
  • Articles
  • Conferences and seminars
  • Electronic books
  • Historical maps
  • Journals
  • Tunes and musical notes
  • Photographs
  • Presentations and posters
  • Publication series
  • Research reports
  • Research data
  • Study materials
  • Theses

Browse

All of JYXCollection listBy Issue DateAuthorsSubjectsPublished inDepartmentDiscipline

My Account

Login

Statistics

View Usage Statistics
  • How to publish in JYX?
  • Self-archiving
  • Publish Your Thesis Online
  • Publishing Your Dissertation
  • Publication services

Open Science at the JYU
 
Data Protection Description

Accessibility Statement

Unless otherwise specified, publicly available JYX metadata (excluding abstracts) may be freely reused under the CC0 waiver.
Open Science Centre