Prevalence and consequences of hydrogen sulphide in land-based Atlantic salmon production

I lakseoppdretten har massedødelighetshendelser i landbaserte resirkulerende akvakultursystemer (RAS) vært knyttet til plutselig frigjøring av store mengder hydrogensulfid (H2S). Det finnes imidlertid begrenset informasjon om hvordan H2S dannes i komplekse systemer som RAS, og i hvilken grad det påvirker fiskens helse, velferd og fysiologi. H2Salar er et ambisiøst prosjekt som tar skal gi kunnskap om og dypere innsikt i risikoene og virkningene H2S har på laks i RAS-systemer. H2S-overvåkingsprogrammet som ble gjennomført på ulike RAS-baserte oppdrettsanlegg, identifiserte H2S-nivåene under normale driftsforhold. Undersøkelsesdataene viste at reduksjonen i antall alvorlige dødelighetshendelser som først ble registrert i 2020, fortsatte i 2021. Fiskehelserapporten 2023 fra Veterinærinstituttet viser imidlertid at H2S som en faktor som påvirker fiskevelferden negativt har økt betydelig de siste årene. Prosjektet identifiserte en mulig strategi for reduksjon av H2S i RAS. For eksempel kan det tilsettes H2O2 for å redusere halveringstiden til H2S med 75 % i sjøvann. Det ble utført fire forsøk i prosjektet for å identifisere 1) det kritiske nivået av H2S, 2) effektene av kortvarig eksponering for kritiske H2S-nivåer, samt 3) effektene av kortvarig og 4) langvarig eksponering for ikke-dødelige nivåer. I forsøk 1 identifiserte prosjektet kritiske nivåer og påfølgende restitusjon hos laks etter eksponering for H2S. Resultatene viste at laks har lavere toleranse for H2S enn tidligere anslått, med en gjennomsnittlig H2Scrit på 1,78 ± 0,39 µM H2S, uavhengig av størrelsen på fisken. Videre viste resultatene at H2S-eksponeringen hadde en mer signifikant effekt på restitusjonsfasen for de mindre individene. Atferdsstudier viste en unnvikelsesrespons ved en H2S-konsentrasjon på 1,8 µM. Forsøk 2 utforsket helse- og velferdseffektene av kortvarig eksponering for H2S i 1 time. Fisken ble eksponert for to H2S-doser: 0,6 µM (lav) og 1,2 µM (høy). Det ble utført en genuttrykksanalyse av en undergruppe av gener med kjente funksjoner knyttet til sulfidavgiftning, muciner, immunitet og stressresponser med fokus på gjellene, lukteorganet, skinnet og bakre tarm. Vi fant at skinnet og gjellene var de slimhinneorganene som hadde størst følsomhet for H2S. Videre viste de mukosale organene ingen vesentlige strukturelle endringer etter kortvarig H2S-eksponering. I forsøk 3 studerte vi effekten av kortvarig eksponering for lave (1,8 ± 0,8 µg/L) og moderate (4,1 ± 1,9 µg/L) H2S-nivåer over en periode på 10 dager. Den kortvarige eksponeringen påvirket ikke veksten eller fôrutnyttelsesgraden, og det så heller ikke ut til at den påvirket næringsfordøyeligheten. Videre var gjellene og lukterosetten mer følsomme for H2S enn skinnet. Integriteten til slimhinnebarrieren ble ikke betydelig påvirket av H2S. De proteomiske og metabolomiske evalueringene viste effekten H2S hadde på immunitets- og metabolismerelevante molekyler. Vi har vist at slimhinneorganene hos laks har det molekylære artilleriet som kreves for sulfidavgiftning, og disse er lokalisert hovedsakelig i epitellaget. Den siste studien undersøkte helse- og velferdskonsekvensene av langvarig eksponering for ikke-dødelige H2S-nivåer. Vi eksponerte laksen kontinuerlig for ett av tre nivåer av H2S i en periode på 4 uker (ikke-eksponert kontrollgruppe, lav [1µg/L] og høy [5µg/L] eksponering). De to H2S-nivåene resulterte i progressiv dødelighet, der gruppen med høy eksponering hadde rundt 16 % dødelighet etter 4 uker. Transkriptomisk analyse viste at lukteorganet var det mest følsomme slimhinneorganet, og de strukturelle endringene knyttet til H2S-eksponeringen ble illustrert ved økt forekomst av ødemlignende vakuoler i neseepitelet. Ved sammenligning av transkriptomene for gjellene og lukteorganet fant vi at genene som oftest var oppregulert, var knyttet til immunitet, mens genene som oftest var nedregulert, var knyttet til ekstracellulær matriks. Eksponering for høye H2S-nivåer hadde en negativ innvirkning på laksens evne til å reagere på sekundært stress. In vitro-modeller ble brukt for å få mekanistisk innsikt i hvordan H2S påvirket laksen. H2Salar har gjort betydelige fremskritt i forståelsen av dannelsen av H2S og effektene dette har på laksen. Fra et grunnleggende perspektiv belyser prosjektet det molekylære og cellulære grunnlaget for hvordan laks responderer på og tilpasser seg H2S. Vi har bevist at laks er langt mer følsom for H2S enn tidligere antatt. Vi anbefaler at det opprettholdes lave H2S-nivåer på under 1 µg/L i landbaserte RAS-systemer for laks for å unngå potensielle helse- og velferdskonsekvenser. Dataene som genereres i dette prosjektet forventes å bli innlemmet i risikovurderings- og overvåkingsprotokollene for laks, slik at H2S-relatert dødelighet unngås. På lang sikt vil dette støtte videreutviklingen av RAS som et alternativt produksjonssystem for laks, der helsen og velferden til oppdrettsartene er godt ivaretatt.

H2Salar has significantly advanced the understanding of the risks and consequences of hydrogen sulfide (H2S) in Atlantic salmon production through comprehensive field and lab-based experiments and active engagement with key industry stakeholders. 1) H2Salar mapped H2S levels and dynamics in operational Recirculating Aquaculture System (RAS) farms. This effort identified operational practices and design elements of RAS that may predispose systems to H2S formation. It is expected that this information will be used in future RAS designs to mitigate the potential risk of H2S formation. 2) H2Salar established new critical limits for H2S in salmon, revising values that had been in place for over 25 years. This updated threshold will better inform industry standards and practices. 3) H2Salar tested a chemical-based mitigation strategy for H2S, providing the industry with a potential immediate response measure for sudden increases in H2S levels on farms. 4) H2Salar recommended safe H2S levels to avoid negative impacts on salmon health. This information is expected to aid technology providers in developing sensitive and reliable sensors. Additionally, it will likely be used by policymakers, such as the Norwegian Food Safety Authority, to set recommended H2S limits for land-based salmon production. 5) H2Salar extensively documented the health and welfare impacts of H2S on salmon, identifying behavioral, phenotypic, and physiological markers that could serve as early warning systems. Some of these signs have already been implemented in Norwegian RAS farms through personal communication. 6) H2Salar contributed fundamental knowledge about the biology of H2S, which is crucial for evidence-driven risk assessments and responses. This foundational knowledge also enhances our comparative understanding of H2S interactions in different animal models. 7) Recent years have seen a significant reduction in H2S-related mortality, partly due to the knowledge and awareness generated by the H2Salar project. Ultimately, H2Salar has contributed to reducing losses, improving animal welfare, increasing revenue, and enhancing the public perception of the industry. These outcomes support the further development of RAS-based aquaculture, where biology and technology go hand in hand.

Problems related to hydrogen sulphide (H2S) have become increasingly prevalent in Norwegian Atlantic salmon recirculating aquaculture system (RAS) facilities, with several cases of mass mortality reported in the last years. There is, however, a significant lacuna in the current understanding concerning the biology and physiology of H2S-fish interactions, specifically in salmon. To solve this challenge, a unique and strategic project consortium has been assembled, including two of Norway’s leading R&D institutes on the environmental and biological aspects of recirculation technology (Nofima, NIVA) and a top-rank academic institution with strong expertise in fish physiology (DTU). In addition, an Industry Reference Group will be set up composed of key industry actors in land-based salmon production. In Work Package 1, a programme for detailed monitoring of H2S and tank water quality will be implemented in several salmon farms operating in RAS in Norway and Denmark. This will be supplemented with routine monitoring of health and welfare status of fish reared in those systems and a series of batch reactor experiments to identify how H2S is formed under different production scenarios. Work Package 2 aims to provide molecular and mechanistic insights into exogenous H2S-host interactions in salmon. We will elucidate how salmon cells respond to H2S and identify molecules that may be exploited as biomarkers for H2S response. We will combine the characterised genetic markers and behavioural reaction to further elucidate the sensing response of salmon to environmental H2S. Work Packages 3 and 4 will employ a series of small-scale and large-scale studies to identify the impacts of acute and chronic exposure to H2S on metabolism, welfare and production performance (WP3), as well as on mucosal health and stress resilience (WP4) in salmon. The expected results will offer new frontier in H2S research in fish, particularly in developing knowledge-based mitigating measures.