Efficiency of polychaete and halophytes on the bioremediation of a super intensive recirculated fish farm effluent

Abstract

The concept of recirculating aquaculture systems (RAS) is currently considered one of the paradigms of the Blue Revolution, as it allows to “grow fish anywhere”. One of the main constraints impairing the expansion of RAS, acknowledge to be a more environmentally friendly system, concerns the disposal of the organic rich effluent due to its high content in marine salts (circa 5-10% of the circulating water). The organic rich sediments that result from the settlement of suspended particulate matter (SPM) cannot be further used as fertilizer in traditional agriculture farms, being classified, according to Portuguese environmental legislation, as a dangerous waste. Therefore, it represents an economic burden to the fish farm. Integrated multi-trophic aquaculture (IMTA) has been regarded as a sustainable solution to overcome this constraint, being conceptually framed on an ecosystem-based approach. This concept involves the farming, in proximity, of aquaculture species from different trophic levels with complementary ecosystem functions. In IMTA one species uneaten feed and wastes, including nutrients and by-products, represents a source of energy to the next trophic level, enabling the combination of different extractive species. The present study aimed to test the efficiency of employing polychaete-assisted sand filters and halophytes in aquaponics in the removal of organic-rich SPM and dissolved inorganic nutrients present in a marine RAS effluent. In addition, the potential added value of selected extractive species was evaluated through their fatty acids (FA) profile. To achieve these goals, the present study was divided into four complementary steps: 1) test the capacity of an innovative approach, where Hediste diversicolor-assisted sand filters were combined with the production of Halimione portulacoides in aquaponics, to bioremediate an organic-rich effluent generated by a super intensive marine fish farm operating a land-based RAS; 2) evaluate the potential added value of RAS cultured H. diversicolor, by comparing their fatty acids (FA) profile with that of wild specimens; 3) evaluate, in terms of biosecurity, if high-pressure processing (HPP) of RAS cultured H. diversicolor, promoted significant changes on their FA content; 4) assess and compare FA profiles of RAS cultured halophytes, namely H. portulacoides, Salicornia ramosissima and Sarcocornia perennis with that of wild conspecifics from donor sites. The present study revealed that the proposed IMTA system, combining RAS cultured polychaetes H. diversicolor and the halophyte plants H. portulacoides, contributed to the bioremediation of the marine effluent. In detail, H. diversicolor-assisted sand filters promoted a decrease of particulate organic matter (POM) in 70%. The ability of H. diversicolor (extractive species) to retain high values of essential FA, namely 20:5n-3 e 22:6n-3 was also demonstrated. Moreover, 22:6n-3, an essential FA paramount for marine aquaculture species’ nutrition, is not found in wild specimens of H. diversicolor. The HPP treatment induced a small reduction on polychaetes HUFA levels, but without compromising their FA profile. In this way, HPP treatment ensures both biosecurity and the nutritional quality of polychaetes biomass for high-end products/applications. The halophyte H. portulacoides cultured in aquaponics displayed a pronounced growth of stem and leaves biomass, contributing to a decrease of waste water dissolved inorganic Nitrogen (DIN) in 65%. Furthermore, H. portulacoides cultured downstream from H. diversicolor-assisted sand filters promoted a superior decrease of DIN in effluent water (67%). Although H. portulacoides, S. ramosissima and S. perennis retained high-valued nutrients, their FA profile did not differ significantly from that of wild conspecifics. Both H. diversicolor and H. portulacoides show a high extractive capacity in IMTA systems for the biomitigation of super-intensive marine fish farms effluents. Selected extractive species display a high potential economic value, with their culture simultaneously contributing for reducing the dependence on wild species and promoting the circular economy agenda and more sustainable practices. The IMTA system implemented represents an important tool for the treatment of marine RAS effluents, as it in holds more sustainable management/practices. Overall, the IMTA system tested contributes to the prevention and reduction of marine pollution and to economic growth, in line with the United Nations Sustainable Development Goal 14 (SDG14 – “life below water”) for 2030.

Os sistemas de recirculação de aquacultura (RAS) são considerados um dos grandes paradigmas da Revolução Azul, pois permitem "cultivar peixes em qualquer lugar". A expansão destes sistemas RAS, levanta novos desafios face aos custos elevados associados ao tratamento do efluente gerado, existindo assim a necessidade de gestão do efluente orgânico devido ao seu teor de sal (cerca de 5-10% da água circulante). Os sedimentos removidos ricos em matéria orgânica não podem ser utilizados como fertilizantes agrícolas sem tratamento prévio. Deste modo, são encaminhados para estações de tratamento, à semelhança dos resíduos que são rotulados como perigosos para o ambiente de acordo com a legislação Portuguesa do ambiente. Esta imposição legal representa um custo adicional para o modelo produtivo que contemple o uso de RAS para cultivo de peixes marinhos. A aquacultura multi-trófica integrada (IMTA) surge como uma solução sustentável, baseada nos serviços fornecidos pelos ecossistemas. Este conceito envolve a cultura de espécies aquícolas de níveis tróficos diferentes, permitindo assim que os nutrientes presentes no alimento não ingerido e os resíduos produzidos sejam utilizados por outros organismos em cultivo. O presente estudo teve como objetivo testar a eficiência dos poliquetas cultivadas em tanques com filtros de areia e halófitas em aquaponia na remoção da matéria orgânica em suspensão e nutrientes na forma dissolvidos presentes no efluente de uma piscicultura a operar RAS em regime de produção super-intensivo, respetivamente. Pretendeu-se assim avaliar, através do perfil de ácidos gordos, o potencial valor das espécies extrativas escolhidas para este estudo. Este trabalho está dividido em quatro etapas complementares, nomeadamente: 1) testar uma abordagem inovadora de biomitigação com os poliquetas (Hediste diversicolor) cultivadas em filtros de areia combinadas com a produção da halófita Halimione portulacoides em aquaponia, na remediação de um efluente rico em matéria orgânica em suspensão e nutrientes na forma dissolvida; 2) avaliar o potencial valor acrescentado de H. diversicolor cultivado em tanques com filtros de areia abastecidos com o efluente da piscicultura comparando o seu perfil de ácidos gordos com o de conspecíficos selvagens; 3) determinar se o processamento com alta pressão (HPP) altera o teor de ácidos gordos nos poliquetas processados e validar este método para assegurar a biossegurança da biomassa destes organismos para fins comerciais; e 4) comparar os perfis de ácidos gordos de halófitas cultivados em aquaponia com o efluente de piscicultura com espécimes selvagens das áreas doadoras. Este estudo permitiu validar o potencial de H. diversicolor em tanques com filtros de areia e H. portulacoides em aquaponia na remediação do efluente da piscicultura. Os H. diversicolor cultivados em tanques com filtros de areia não só contribuíram para um decréscimo de 70% da matéria orgânica particulada, como também mostraram uma grande capacidade de reter valores elevados de ácidos gordos essenciais, nomeadamente 20:5n-3 e 22:6n-3 Estes ácidos gordos essenciais, considerados importantes para a nutrição das espécies de aquacultura, não foram encontradas em espécimes selvagens de H. diversicolor. O tratamento com altas pressões induziu uma pequena redução nas quantidades de ácidos gordos altamente insaturados nos poliquetas, no entanto não comprometeu o perfil de ácidos gordos. Desta forma, o tratamento HPP assegura tanto a biossegurança quanto a qualidade nutricional do produto final. As halófitas H. portulacoides cultivadas em aquaponia tiveram um crescimento acentuado nos caules e nas folhas, contribuindo para uma diminuição de 65% do azoto inorgânico dissolvido presente nos efluentes, subindo este valor para 67% quando combinadas com H. diversicolor. Estudos complementares com H. portulacoides, Salicornia ramosissima e Sarcocornia perennis revelaram que estas halófitas possuem uma grande capacidade para reter nutrientes, apresentando ainda um perfil em ácidos gordos n-3 e n-6 que não difere significativamente dos espécimes selvagens. As espécies H. diversicolor e H. portulacoides apresentam grande capacidade extrativa quando integradas em sistemas IMTA para a biomitigação de efluentes de pisciculturas a operar em regime super-intensivo. As espécies escolhidas representam um potencial valor económico, contribuindo a sua cultura para a redução da dependência da utilização de organismos selvagens, refletindo princípios de economia circular e práticas mais sustentáveis. O sistema IMTA implementado é assim uma ferramenta importante para o tratamento de efluentes, sendo igualmente uma contribuição positiva para a prevenção e redução da poluição marinha, gestão/práticas mais sustentáveis, segurança e crescimento económico, de acordo com o Objetivo de Desenvolvimento Sustentável 14 (ODS14 - “proteger a vida marinha”) proposto pelas Nações Unidas.