In-situ molecular-based monitoring: a tool for tackling the operational and environmental challenges of aquaculture

Dette innovative prosjektet vil levere en teknologi som muliggjør bedre kontroll over sykdoms- og miljøutfordringer som følge av intensivert akvakultur. Den norske havbruksnæringen har en betydelig sosioøkonomisk verdi. Intensivering av fiskeproduksjon fra akvakultur vil imidlertid kreve forbedret bærekraftighet som svar på økt miljøbelastning. Parasitter og sykdommer, som forårsaker betydelige tap for akvakulturindustrien, behandles i dag med tonnevis av kjemikalier hvert år som gir grunn til miljøbekymring. Utvikling av spesifikke og sensitive metoder for tidlig påvisning av f.eks. sykdomspatogener i oppdrett vil kunne føre til at smitte oppdages tidligere enn i dag, at spredning begrenses, og at mengden kjemikalier/legemidler som brukes for å kontrollere sykdom/parasitter reduseres betraktelig. Det er mulig å undersøke hvilke organismer som finnes i miljøet ved hjelp av miljø-DNA (eDNA) analyser, og det åpner nye muligheter for akvakultursektoren. Her er målet å anvende en overvåkingsmetode som benytter in-situ DNA-basert analyse for rask påvisning av parasitt- og patogener i vann ved merder og dermed minimere risikoen for utbrudd i akvakulturanlegg. ISMOTOOL skal tilpasse ESP (Environmental Sampling Processor), en ubemannet sensorplattform utviklet av MBARI (USA) som er et flytendende laboratorium, for å varsle i sanntid om forekomst av organismer i vann. Roboten er bygd for å ta vannprøver og utføre spesifikke DNA-baserte analyser i vann og denne informasjon kan sendes trådløst til sluttbruker for tiltak. Prosjektet skal benytte ESP til påvisning og kvantifisering av eDNA fra lakselus (Lepeophtheirus salmonis) og mikro-organismer som Paramoeba perurans, som forårsaker amøbegjellesykdom (AGD). I tillegg ønsker prosjektet å se på om denne teknologien kan brukes til sporing av rømt oppdrettsfisk ved bruk av laksefisk (og sjøørret) miljø-DNA som befinner seg i vannet. Innenfor WP1, har vi prøvd å fine samsvar mellom vårt assay og et variert antall (1 til 10) fritt svømmende livsstadier L. salmonis (larver og før voksne stadier). Kvantitativ PCR ble utført fra tre prøvetakinger tatt i oktober 2019, juni og september 2020 rundt et oppdrettsanlegg på Vestlandet og samlet på fire lokaliteter rund og tre forskjellige dybder (1m, 5m og 10m). Samlet sett var deteksjonen høyere i mai og september 2020, lavere i oktober 2019. Vi valgte spesifikk 16S rRNA mitokondrie-DNA fra L. salmonis for å analysere prøvene, men vi brukte også et assay som tidligere er rapportert i litteraturen som retter seg mot både L. salmonis og Caligalus elongatus. Resultater tyder på at assayet utviklet i dette prosjektet er mer følsomt og er også mer spesifikk for påvisning av L. salmonis. I WP2, har vi testet P. perurans eDNA påvisning og kvantifisering i oppdrettsanlegg og smitteforsøk. Prosjektet besøkte oppdrettsanlegget på Vestlandet, hvor eDNA prøver ble tatt ved oppdrett lokaliteten (se WP1) med en simulert ESP-metode (0,5L vann) og manuell glassfiberfilter-filtrering (5L vann; GF-metoden). Prøvene er analysert med simulert ESP-qPCR og standard qPCR, begge P. perurans spesifikke (tidligere utviklet i prosjektet). eDNA konsentrasjonene av P. perurans var høyest ved 5m dyp i oktober 2019, og like høye ved 5m og 10m dyp i september 2020. I juni 2020 ble ikke P. perurans påvist. ESP-metoden påviste lavere eDNA konsentrasjoner enn GF-metoden. En ny, virulent cellelinje av P. perurans er etablert, og i pågående smitteforsøk har vi vist at P. perurans eDNA i vannet øker med økt tid etter smitte. ESP instrumentet er testet i WP3 for ulike fiskearter. Nye reagenser som reduserer problemer med inhibering, øker følsomheten, reduserer analysetiden og forbedrer analyseforholdene er testet og validert. Et nytt system for å holde analysereagensene ombord på ESP og dermed redusere tekniske feil, ble også testet. Et prøvetakingsprogram for ESPen tilpasset strømforhold er utviklet slik at oppsamling av inngående og utgående vann med eDNA er tatt i betraktning for å vurdere både den smittesituasjonen i fiskemerdene og spore mulige fisk rømming (utgående vann), men også mulige smitteforekomster (inngående vann). For alle målorganismer og assays, har vi utført validering av ESP-metoder og manuelle metoder, både med hensyn til eDNA-filtrering og qPCR analyse. Høsten 2021 (16.10-13.11), ble en ESP testet i felt. Den ble plassert 6m under vann, og nedstrøms et anlegg på Vestlandet. Alle fem tidligere utviklet/testede assays (2 for lakselus, 2 for AGD, 1 for eDNA av laksefisk) ble brukt. Det ble påviste eDNA fra både laks og AGD i noen sanntidsprøver, men ikke for lakselus eDNA. Samlet sett svingte både eDNA påvisning og kvantitet betydelig over perioden. Dette var sannsynligvis et resultat av flere variabler slik som strøm retning og styrke, relativt lite analysevolum (<150 mL sjøvann per prøve), avstand til næreste merd, men også sesong og reduksjon av laksefisk i merdene som følge av slakting på anlegget. Data vil bli analysert videre.

Prosjektets viktigste leveranse har vært å demonstrere at ESP-roboten faktisk fungerte for påvisning av fisk, AGD og lakselus i sanntid, samt å utvikle og teste miljø-DNA metodikk til overvåkning av AGD og lakselus, som er fiskeparasitter som forårsaker store tap i oppdrettsnæringen og medfører både velferdsproblemer og dødelighet for oppdrettsfisk. Ved å bruke miljø-DNA-analyser av vann slipper kan dette være en alternativ metode til å fange eller drepe fisken for overvåkningsformål. Metodene er kostnadseffektive og vil kunne et få bredt anvendelsesområde innen fiskeoppdrett, for å få tidsriktig informasjon om mulige smitte fra ulike agenser og dermed igangsette tiltak for å redusere påslaget, uten å belaste miljøet for mye.

The aquaculture industry is facing several environmental challenges, including disease, salmon lice invasions and escape of farmed fish. Meeting these challenges will require novel approaches and development of innovative tools. The Environmental Sampling Processor (ESP) is a molecular-based autonomous monitoring device designed to collect water samples, extract DNA from organisms in the water and perform in situ molecular analyses automatically. Two-way wireless communication makes it possible to transmit the results from the analyses back to the laboratory only within hours of sample, allowing for rapid (same day) actions to be taken. The aim of the proposed study is to use ESP for operational monitoring and fish welfare towards aquaculture fish production to improve sustainability and operations. This tool will be targeted to (1) fish pathogens and parasites in the water column, (2) escaped farmed fish in the marine environment, all posing present challenges for this industry. Four work packages (WP) are planned: In WP1-3, we will adapt analytical protocols of ESP to detection and quantification of (1) parasitic salmon louse (Lepeophtheirus salmonis) (WP1), (2) an agent of amoebic gill disease (AGD); Paramoeba peruransi (WP2), and (3) escaped farmed Atlantic salmon and rainbow trout (WP3). After optimizing the species-specific molecular assays using bench laboratory equipment compatible with ESP, we will evaluate these assays on the ESP itself, and perform a field experiment (WP4). Results obtained from ESP detection and quantification will be compared with those obtained by use of the current detection and monitoring methods. The ESP instrument is available for ISMOTOOL through collaboration with DHI, the only company in Europe providing an ESP instrument.