ERA-NET: BlueBio - Microalgae Microbiomes - A natural source for the prevention and treatment of diseases in aquaculture (AquaHealth)

Prosjektet AquaHealth studerte synergien mellom mikroalger og deres assosierte mikrobiota for å identifisere, utvikle og validere nye bioaktive og prebiotiske forbindelser som på en bærekraftig måte kan brukes til forebygging og behandling av sykdom i landbasert akvakultur. SINTEF Avd. Bioteknologi og Nanomedisin deltok i prosjektet med bakgrunn i sin store kompetanse innen mikrobiologi, molekylærbiologi, funksjonell metagenomikk, biofilmstudier, og innen high throughput screening av bioaktive stoffer. I løpet av den andre rapporteringsperioden fra oktober 2020 til september 2021 var fokuset i SINTEF i AquaHealth-prosjektet metodeutvikling for å teste biofilm-inhiberende effekt av mikroalger produsert av andre partnere. Vi etablerte et high-throughput platebasert og et flow-basert biofilm assay med utvalgte stammer av de fiskepatogene artene Yersinia ruckeri og Flavobacterium psychrophilum. Disse protokollene ble brukt videre til å identifisere mikroalge-assosierte mikroorganismer og forbindelser produsert av disse som kan hemme vekst og biofilmutvikling hos bakteriene. De første testene med mikroalger ble også gjennomført, og foreløpige resultater sammenfalt med resultater fra andre analyser utført av partnere ved Universitetet i Hamburg. SINTEF startet også arbeidet med sekvenseringsanalyser av det bakterielle mikrobiomet assosiert med mikroalger, samt sekvenssøk etter enzymer eller andre aktive forbindelser i alge/bakterie-mikrobiom data produsert av Tekniske Universitetet i Hamburg. Regelmessige møter mellom SINTEF og de to universitetene i Hamburg og Universitetet i Aalborg sikret tett og effektivt samarbeid i arbeidspakkene 2, 3 og 4. Kommunikasjon mellom alle partnere i prosjektet ble ivaretatt ved månedlige digitale framdriftsmøter og intern statusrapportering. Fra oktober 2021 til september 2022, ble metodeutviklingen ferdigstilt og brukt HTS og flow-basert biofilm assay til analyser av prøver fra de andre partnerne i prosjektet. Modellorganismer som kan bli testet med disse metodene inkluderer Yersinia ruckeri, Flavobacterium psychrophilum, Edwardsiella anguillarum og Aeromonas salmonicida. Mye arbeid gikk med til å etablere en protokoll for analyse av anti-viral effekt av biomasse og bioaktive stoffer fra mikroalger og deres assosierte mikrobiomer. Virusprotokollen inkluderer CHSE cellelinje fra laks og infeksiøs pankreasnekrose virus (IPNV). Virus-metoden ble brukt videre til testing av anti-viral effekt av algebiomasse og alge/mikrobiom-forbindelser produsert av Tekniske Universitetet i Hamburg og Sea & Sun Technology. Et lovende enzym med antibakteriell effekt ble identifisert av Universitetet i Hamburg, og dette ble testet hos SINTEF med alle de etablerte metodene. Sekvensanalyse av mikroalge/bakterie mikrobiom, og søk i sekvensdata etter antibakteriell, antifungale og antivirale effekter pågikk. SINTEF deltok på midtveismøte ved Aalborg Universitetet, og var vertskap for et prosjektmøte i Trondheim i juni 2022. I den siste rapporteringsperioden fra oktober 2022 til september 2023 brukte SINTEF alle metoder etablerte i prosjektet til å ferdigstille testing av bioaktive stoffer fra mikroalger og deres assosierte mikrobiomer, identifisert av Universitetet i Hamburg. Flere forbindelser ble karakterisert med gode biofilminhiberende egenskaper mot viktige fiskepatogene bakterier, og det ble ikke funnet celletoksiske effekter av stoffene. Resultatene er innsendt for publisering. Sekvensanalyser for monitorering av mikroalge-assosierte mikrobiomer samt kontaminering i oppskalert produksjon av algebiomasse ble ferdigstilt. Sekvensbaserte søk etter enzymer eller andre aktive stoffer i alge/mikrobiom genom-data med mulig antibakterielle, antifungale og antivirale effekter ble gjennomført med verktøy for sekvenssøk som ble videreutviklet gjennom prosjektet. Kort oppsummert så har AquaHealth levert både mulige bioaktive kandidater, og infrastruktur for å effektivt søke etter nye bioaktive stoffer i framtiden, samt tester deres effekt. SINTEF deltok på sluttmøtet ved Tekniske Universitetet i Hamburg i mars 2023 hvor alle resultater ble gjennomgått. Sluttdato for prosjektet var 31. august 2023.

The AquaHealth project's focus on exploring microalgae and their microbiomes for disease prevention and treatment in aquaculture aligns with the growing need for sustainable solutions in the industry. The project's findings contribute to a positive development of sustainable land-based aquaculture, ensuring high-quality food supply while minimizing environmental impact and establishing infrastructure for future bioactive compound exploration. By identifying and characterizing bioactive compounds derived from microalgae, the project offers a natural and eco-friendly alternative to conventional disease treatments, such as antibiotics. This can help address the issue of multi-resistant pathogens and promote more sustainable practices in aquaculture. The project not only delivered potential bioactive candidates but also developed the infrastructure to efficiently search for novel bioactive compounds in the future and to test their effects. The cultivation process was successfully scaled up for two promising microalgae strains, Tetradesmus obliquus and Chlorella sorokiniana, using different indoor and outdoor cultivation systems. An efficient downstream processing method was developed, including cell separation, cell lysis, and dehydration, to facilitate the extraction of bioactive molecules. These advancements pave the way for the future commercial application of bioactive compounds derived from microalgae and their microbiomes in aquaculture. The project conducted comprehensive assessments of the potential benefits of dietary microalgae on rainbow trout, considering growth performance, blood metabolites, and intestinal microbiota. These evaluations provide valuable insights into the use of microalgae as a dietary supplement in aquaculture. To assess the uncertainty and the scope of possibilities of the industrial synergy between microalgae and fish aquaculture, a thorough ex-ante LCA of the AquaHealth project was conducted by modelling the distinct aspects of the technology from microalgae to fish farming and propagating the various forms of uncertainty. The AquaHealth project benefits from a transnational nature, with partners from Germany, Norway, and Denmark, and the multidisciplinarity has provided an added value to the project, being effective and productive. Stakeholders and the public were involved to promote sustainable aquaculture.

Aquaculture is one of the fastest growing food sectors in the world. In order to guarantee continuous, efficient and sustainable production and to safeguard the growth of this important sector, its protection from biological threats is crucial. Within the AquaHealth project, an international consortium of highly experienced partners will assemble and apply an advanced 'omics toolbox on the natural synergy of microalgae and microbial consortia to discover and validate novel bioactive and prebiotic compounds for sustainable use in preventing and treating disease in land-based aquaculture systems. Targeted classes include biofilm and microbial pathogens inhibiting enzymes, peptides and small molecules, as well as antiviral natural products such as reverse-transcriptase inhibitors. The AquaHealth project will deliver fundamental new insight into microalgae and their associated microbiomes. Integrated 'omics approaches and further, sequence- and function-based screening in search for new bioactive and prebiotic candidate molecules will be applied. The cultivation process for selected strains and consortia producing promising targets of interest will be scaled up to pilot scale and appropriate downstream processing developed and applied in order to obtain the valuable candidates for detailed characterization and testing. Economic, environmental and social impacts of novel product candidates will be assessed, as well as routes towards commercialization of identified biomolecules and technologies. Overall, the AquaHealth project will contribute significantly to a positive development of sustainable land-based aquaculture, securing high quality food supply for world's growing population while simultaneously reducing environmental impact.