NORDFORSK: RAS-TOOLS: A microbial toolbox for RAS production and innovation.

Produksjon av fisk i landbaserte anlegg (Recirculating Aquaculture Systems - RAS) er en voksende industri internasjonalt. I Norge benyttes RAS anlegg i hovesak til produksjon av laks. Hovedprinsippet for dyrking av fisk i RAS er enkel. Vannet som fisken dyrkes i renses ved hjelp av mekaniske filtre, biofiltre og avgassingskamre før vannet føres tilbake til fisken. Dermed opprettholdes god vannkvalitet og en unngår opphoping av avfallsstoffer produsert av fisken, slik som ammonium, CO2, og organisk materiale i form av fiskeavføring. For å opprettholde god vannkvalitet i RAS anlegg er det nødvendig at rensingen av vannet er effektiv. En rekke fysiske, kjemiske og biologiske faktorer påvirker effektivititen på rensingen. Betingelser som har god effekt på noe av rensingen, for eksempel fjerning av CO2, kan være ugunstige for andre deler av rensingen, for eksempel fjerning av ammonium. Det er derfor utfordrende å forstå hva som er optimale betingelser. Konstruksjonen av RAS anlegg varierer betydelig. Betingelser som er optimale for ett anlegg er derfor ikke nødvendigvis optimale for et annet. I tillegg kan hvert enkelt RAS anlagg sees på som et dynamiske system som stadig er i endring. For eksemple vil foringsregime kunne påvirke døgnsykluser i vannkvalitet. Et sentralt mål i RAS-TOOLS prosjektet har vært å utvikle en matematisk modell som kan brukes til å simulere utviklingen i vannkvalitet over korte og lengre tidsrom (timer, uker og måneder). Et annet sentralt mål har vært å gjennomføre eksperimenter i småskala RAS anlegg, samt å monitorere vannkvalitet i industriskala anlegg for å validere modellene og for å undersøke nærmere hvordan foringsregime, fiskestørrelse, pH, og alkalinitet påvirker vannkvaliteten. Disse målene har i stor grad blitt nådd i prosjektet. Vi har gjennomført et eksperiment ved RASLab i Bergen, der vi har undersøkt hvordan alkalinitet og pH påvirker biologiske og kjemiske dynamikker i RAS systemene. Vi har også, i samarbeid med Høgskulen på Vestlandet og Erko Settefisk A/S, gjennomført monitorering av kjemien i et industriskala-anlegg. Så langt har vi publisert to manuskripter basert på dette arbeidet. Resultatene viser at enringer i alkalinitet og pH påvirker effektiviteten av biofilteret og avgasseren. Samtidig ser det ut til at endringer i pH og alkalinitet i liten eller ingen grad påvirker fiskens stressnivå eller bakteriesammensetningen i biofilteret. Det er derfor grunn til å anta at å variere pH og alkalinitet gjennom en produksjonssyklus kan være praktisk gjennomførbart og hensiktsmessig for å oppnå best mulig vannkvalitet. Vi har utviklet en modell som beregner endringer i vannkvalitet basert på fiskens produksjon av CO2 og ammonium, pH, rater av kjemiske reakasjoner, opptaksrater av ammonium og nitritt i biofilteret og rater for avgassing av CO2 i avgassingskomponenten. Simuleringer indikerer hvordan foringsregime har stor betyding for døgnsykluser i vannkvalitetsparametre. Simuleringene samsvarer godt med våre observasjoner fra RASlab og Erko Settefisk. Våre simuleringer antyder også hvordan optimale pH og alkalinitesverdier endres gjennom produksjonssyklusen etter hvert som fisken vokser seg større. Modellen ble presentert under en Akvakultur konferanse i Danmark i 2024 (AQUA2024) og ble møtt med stor interesse både fra akademisk sektor og industrien. Doktorgraddstipendiaten som er ansatt gjennom prosjektet har vært sentral i gjennomføring av modellering og analyse av resultater fra RASlab og Erko Settefisk A/S. Fremdriften med doktorgradsavhendlingen er i store trekk som planlagt og disputas forventes å skje i løpet av prosjektperioden. Resultatene i prosjektet illustrerer godt hvordan kombinasjonen av modellering og sensordata kan gi ny forståelse og nye verktøy før videre optimalisering av RAS. Betydningen av dette for videre vekst i RAS industrien i Norden er diskutert i en 'policy brief' publisert gjennom NordForsk i 2023.

The use of recirculating aquaculture systems (RAS) in fish farming, is a promising strategy for an economically and environmentally sustainable fish industry. Microorganisms constitute an essential component of all RAS facilities, since they ensure a high water quality by degrading organic matter and oxidizing potentially toxic ammonium to nitrate. A high water quality is vital for maintaining stable RAS conditions that can ensure health and welfare of the fish, as well as profitability of the production. However, microorganisms are not exclusively beneficial to RAS functions. They compete with the fish for oxygen in the water during degradation of organic matter, may produce extremely toxic hydrogen sulfide, and spread diseases. In addition, some of the microorganisms in RAS facilities may also produce off-flavors that accumulate in fish flesh and reduce consumer attraction for aquaculture-produced fish. Yet, little is known about microbiomes in RAS systems, particularly in terms of their mutual dependency and role in RAS system dynamics. The RAS-TOOLS project is driven by innovation, expertise by RAS producers and academic knowledge to develop a novel toolbox for monitoring and control of RAS microbiomes. Through massive sequencing of DNA and RNA to better understand microbial communities and their functions in RAS, we expect to reveal new biosignatures for early detection of non-optimal operational conditions. Through modelling and simulations, we expect to obtain a better holistic understanding of the dynamics of RAS systems, and what effects important operational changes (such as changes in pH, alkalinity, and oxidation procedures) might have for the system as a whole. The RAS-TOOLS project will pave the way for the development of next generation RAS monitoring for better control of water quality and fish health issues, and thereby contribute to the development of a sustainable RAS industry.