Adapting monitoring tools for bacterial load detection in closed marine fish farms: for improved fish health and reduced mortalities.

I dette prosjektet har vi fulgt driftsmoduler RAS anlegg for smoltproduksjon av laks og samt et gjennomstrømningsanlegg for rognkjeks. Det ble tidlig klart at der oppstod en rekke utfordringer knyttet til tekniske, biologiske og menneskelig genererte hendelser i RAS anlegget. Flere komplekse forhold påvirket fiskehelsen og skapte ulike forhold underveis og mellom produksjonssykluser noe som også kunne påvirke de mikrobielle samfunnene. Nå vet vi at slike hendelser i RAS anlegg ikke er uvanlig, men det arbeides intenst med å holde stabile og gode forhold i slike anlegg. En av utfordringene å få kunnskap om de mikrobielle samfunnene ulike steder i systemet og på fisken. Biofilteret er den viktigste mikrobielle enheten med enorme mengder bakterier som skal forbruke og produsere produkter som er avgjørende for vannkvaliteten i et lukket system. I prosjektet brukte vi moderne mikrobiologiske metoder og sekvenseringsteknologi for å identifisere alle mikrober i systemet. Vi har utviklet prøvetakingsrutiner som egner seg i en overvåkningssammenheng for mikrobielle analyser i gjennomstrømningsanlegg for rognkjeks og resirkuleringsanlegg for laks. Dette har resultert i millioner av sekvenser med informasjon hvilke mikroorganismer som er til stede og hvilken andel de utgjør i miljøet. Metodene for opparbeiding av materiale var ikke testet ut på denne typen biologisk materiale, men vi fikk gode resultater etter uttesting og prosedyrene er brukt gjennomgående i arbeidet. I hovedsak beskriver resultatene dynamikken i den mikrobielle samfunnsstrukturen og hvordan mikrobene påvirkes av endringer i vannkvaliteten over tid. Ved å kartlegge forekomster av bakterier kan en varsle om det er mulig skadelige mikrober eller endringer i anleggene som gir uheldige forhold. Slike innledende og omfattende studier som er gjort i prosjektet gir god oversikt over de ulike mikrobielle samfunnene og danner grunnlag for anbefalinger om hvor i anlegget det bør tas prøver til overvåkningen og frekvensen på prøvetakningen. Så langt kan resultatene tyde på at produksjonsvann og fiskeskinn kan være egnet for mikrobiell overvåkning, men dette bør etterprøves og med mer bakteriespesifikke studier. Spesielt i prosjektet er det frembrakt informasjon som er viktig for forståelsen av det som skjer ved oppstarten av et nytt RAS, der den første perioden kan ha varierende vannkvalitet og med lav effektivitet i biofilteret. Dette inkluderte kartlegging av etableringen av nitrogensyklus. Biofilterene i RAS må ha en gunstig bakterie sammensetning og det kan oppnås på flere måter. Viktig er tiden det tar for etablering av nitrifiseringsprosessen i biofilmen på biofilter bærere i RAS og dette ble undersøkt ved inokulering med en kommersiell bakterie startkultur eller inokulering med etablerte bakterier på biofilterbærere. Inokulering med anleggets egne biofilterbærere viste seg å være mest effektivt, trolig fordi bakteriene var tilpasset vannforhold og salinitet i anlegget. I en annen studie ble etableringen av nitrifikasjonsprosessen i to nye RAS biofiltere sammenlignet, der forskjellen var fiskemengde i produksjonstankene ved oppstart. Hurtigst utvikling av den gunstige nitrifikasjonsprosessen skjedde når fiskemengden i tanken var liten, noe som medførte mindre ammonium mengde og dermed mer gunstig utvikling av biofilteret. Den mikrobielle sammensetningen er og studert i et gjennomstrømningsanlegg ved vellykket produksjon av rognkjeks. Dette arbeidet viste at der var et relativt stabilt mikrobielt samfunn i anlegget. Moritella- og Tenacibaculum-slekter er en naturlige deler av miljøet, oftest var de lite til stede, men enkelte ganger var de mer dominerende i prøver fra vann, biofilm og fiskeskinn og på egg. I RAS anlegg inntrer ofte ulike hendelser. Studier av mikrobiell kolonisering, taxa stabilitet, taxaflux, og taxa shift ved ulike RAS hendelser som antibiotika administrasjon, vask av biofilter med oksidative forbindelser, reinokulering av biofilter, samt bråe endringer i fysiokjemiske parameter og i perioder det det var sårdannelse på fisken er utført og funnene belyser de komplekse og skiftende mikrobielle forholdene en kan ha i RAS.

Oppdrettere og forskere har fått bedre innsikt i mikrobielle prosesser i RAS og gjennomstrømmingsanlegg. Resultatene har gitt viktig bidrag til oppstart av RAS biofilter om bruk og effektiviet av inokulum materiale.Type bakterier og forekomster er kartlagt ulike steder i RAS anlegg, under produksjonsyklus og over flere produksjonsyklyser og egnet type materiale for videre detaljerte monitoreringsforsøk er indikert. Kompetanse er generert og videreført gjennom prosjektansattes videre ansettelser/arbeid der også opplæring og formidling inngår både for næringsakrører og studenter. Prosjetmedarbeider som ble tilsatt i fast stilling ved instituttet har valgt dette område som forskningssatsing og har oppnådd eget prosjekt med nordisk samfinansiering samt deltakelse i et nytt nasjonalt prosjekt. Innen forskning er metoder og analyse verktøy utprøvd og videre brukt i analysene. Dette har stor overførigsverdi både for forskning og praktisk mikrobiell monitorering av anlegg.

Stable water quality is one of the main benefits of closed fish farms by providing a more controllable living environment for farmed fish. Closed systems are also potential incubators for bacterial selection. Compared to open systems, the enhanced water stability allows more representative and valid data upon bacteria composition and load. Thus, knowledge based surveillance programs can be implemented to predict bacterial risk of infection caused by both opportunistic and obligate pathogens. The aim of this project is to implement and streamline bacterial load monitoring tools of closed marine farms to monitor risk factors for impaired fish health. Regular use of high resolution tools upon community member's 16S identification, allows pathogens detection to genera and species level. Further, molecular tools allow detection even to subspecies level that is needed to determine virulence of the classic pathogens. The project has a third monitoring tool for detection of the virulence "on" switch in opportunistic bacteria by GC/LC-MS quantification, biosensors and RT-QPCR of expressed regulatory genes. Tenacibaculum is the model organism, frequently observed and documented to cause infections in closed systems. The streamlined protocols for microbial monitoring in closed fish farms will be basis for design of rational preventive routines and measures to meet the risk of infections and reduced water quality. The three closed rearing concepts are; a marine RAS for enhanced growth of salmon smolt and two with direct flow through system -being "Egget" and a lump fish farm- with regular removal or no of biofilm removal respectively. The project embraces national and international co-operation, and institutional knowledge transfer. This interdisciplinary project use cutting edge methodology and expertise from environmental microbiology to be implemented for bacterial monitoring of closed fish farming systems. Several masters will be posted and the project has female leader.