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

Dødelighet knyttet til hydrogensulfid (H2S) har nylig blitt en alvorlig bekymring i lakseoppdretten, særlig i resirkulerende akvakultursystemer (RAS) med saltvann, der det er høy risiko for dannelse av H2S. H2Salar er et ambisiøst prosjekt som tar sikte på å skape kunnskap om og dypere innsikt i risikoene og virkningene H2S har på fysiologien til 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 vi først registrerte i 2020, fortsatte i 2021. Masse-balanse-evalueringer ved hjelp av data fra oppdrettsnæringen viste at tilstedeværelsen av NO3 ikke forhindret dannelsen av H2S, normale avgassingssystemer fjernet ikke lave nivåer av H2S, og videre produserte anlegget med «fixed bed»-biofiltre mer CO2 og H2S, mens anlegget med «moving bed»-biofiltre (MBB) fjernet mer H2S og CO2. Prosjektet identifiserte en mulig strategi for reduksjon av H2S i RAS. Tilførsel av hydrogenperoksid (H2O2) er en effektiv vannbehandlingsteknologi for fjerning av H2S. Dosejusteringer i henhold til konsentrasjonene av H2S og det spesifikke systemets vannparametere kan redusere nivået på H2S med nærmere 50 % på mindre enn 30 minutter. Prosjektet identifiserte kritiske nivåer og restitusjon hos laks etter å ha blitt eksponert 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. Denne konsentrasjonen er vist å forårsake luftveisproblemer hos laks. For å gå en grundig forståelse av de fysiologiske konsekvensene av eksponering for H2S, gjennomførte vi eksperimenter med forbigående og kronisk eksponering for subletale nivåer av H2S. I forsøket med forbigående eksponering ble fisken eksponert for ett av tre nivåer av H2S i ´én time: 0 µM (ikke eksponert), 0,6 µM (lav) og 1,2 µM (høy). Vi fant at skinnet og gjellene var de slimhinneorganene som hadde størst følsomhet for H2S, påvist ved molekylære og histologiske forandringer etter eksponering. Videre fant vi at forbigående eksponering for H2S hadde en betydelig innvirkning på slimhinnene, snarere enn systemiske effekter, påvist ved endringer i slimmetabolomet på skinnet. I forsøket med kronisk eksponering eksponerte vi 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). Deretter fikk fisken hente seg inn igjen i 2 uker før de ble utsatt for en sekundær stressor. 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, en kontrasterende trend sammenlignet med gruppen med forbigående eksponering. 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. Histologien viste noen tegn til bedring 2 uker etter at H2S-eksponeringen ble avsluttet. Foreløpige data tyder på at kronisk eksponering for høy H2S påvirket kinetikken til stressresponser til en sekundær stressor. In vitro-modeller ble brukt for mekanistisk innsikt i hvordan H2S påvirket laksen. Sulfidkilder førte til en oppregulering av genuttrykket for sulfidavgiftningsgener, mens en signifikant nedregulering ble observert med muciner i eksplantasjonsmodeller for gjeller og lukteorgan. Farmakologisk interferens viste at muciner spilte en avgjørende rolle i slimhinnebeskyttelsen mot H2S-toksisitet. Lukteorganets følsomhet for H2S ble studert videre ved hjelp av en nasal leukocytt-modell. Vi har funnet det første beviset for at H2S er en potent modulator av nasale leukocytter hos laks. Vi fant at VEGF-reseptor-ligand-interaksjonen ble signifikant påvirket av H2S. Ved å hemme funksjonen til VEGF-kinase fant vi at VEGF-banen er avgjørende for nasale leukocytters evne til å respondere på H2S. Vi anvendte en hepatocyttmodell for å utforske de fysiologiske implikasjonene av H2S som xenobiotisk nærmere. Sulfidkilder med rask og langsom avgivelse skaper distinkte transkriptomiske endringer i hepatocytter. Sulfidkildene induserte oksidativt stress, påvirket celledelingen og -levedyktigheten og forstyrret banene som er involvert i mitokondrienes metabolisme og immunitet i hepatocytter. Det pågår flere in vitro- og in vivo-forsøk som skal belyse de biologiske effektene av H2S hos laks ytterligere.

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.