Recycling nutrients from aquaculture effluents through the integrated use of polychaete filters and halophytes in aquaponics

Abstract

The aquaculture industry plays a key role in world food security and the effluents from these production systems are rich in nutrients that have not been incorporated into biomass of fed species being farmed (these nutrients are present in the form of uneaten feed, faeces and other excretion products). Integrated multi-trophic aquaculture (IMTA) conceptualizes the recovery of these nutrients into valuable biomass of extractive species, with polychaetes and halophyte plants, respectively, being key species to recover nutrients present in the form of particulate organic matter (POM) and dissolved inorganic matter (DIM - includes dissolved inorganic nitrogen and phosphorus, DIN and DIP, respectively). This study aimed to evaluate the efficiency from integrating polychaete assisted sand filters (PASFs) and halophyte plants produced in aquaponics in the filtration of aquaculture effluents, being divided into 5 complementary studies. The first study aimed to evaluate the efficiency achieved with PASFs (using Hediste diversicolor) when under contrasting concentrations of unused nutrients present in the effluent water of a semi-intensive fish farming system (Sparus aurata) using earthen ponds. It was possible to conclude that the reproductive success of H. diversicolor was achieved only in the two PASFs receiving effluent water with a higher concentration of POM (1.5-1.8 mg Lˉ¹), with PASFs contributing to retain ≈ 70% of available POM. The larvae of polychaetes Diopatra neapolitana, Sabella cf. pavonina and Terebella lapidaria naturally colonized the PASFs employed in this study and adapted to IMTA culture conditions. The second study evaluated the valorisation, in terms of essential fatty acids (EFA), of the biomass of the four above-mentioned polychaete species. Their fatty acid (FA) profile revealed to be enriched with n-3 EFA, such as eicosapentaenoic and docosahexaenoic acids (≈ 1.5 - 4.8 and 1.0 - 1.1 μg mgˉ¹ DW, respectively). The FA profile of D. neapolitana, S. cf. pavonina and T. lapidaria was described for the first time in this study. The FA profiles of H. diversicolor and T. lapidaria revealed the highest level of similarity to that of aquafeed provided to fish farmed in this IMTA design. The third study aimed to optimize the timeframe to produce a premium biomass of H. diversicolor enriched with EFA when supplied a commercial aquafeed (during 10, 20 and 40 days) and grown under different combinations of temperature (20 and 25 ºC) and salinity (15, 20 and 25). Here, the different culture conditions did not contribute to significantly modify the FA profile of H. diversicolor. Total FA concentration (70 - 90 μg mgˉ¹ DW) and n-3 and n-6 FA concentration (17-19 and 13-17 μg mgˉ¹ DW, respectively) incremented progressively, and no plateau was achieved. At the end of the study period, polychaetes exhibited a FA profile with greatest similarity to the one displayed by the aquafeeds than to the ones exhibited by initially stocked/wild polychaetes. It was also possible to report evidence of de novo FA biosynthesis (e.g., 20:3 n-6, 20:3 n-3, 20:4 n-3). The fourth study evaluated the efficiency of different IMTA configurations (1 single polyculture tank with 0.3 m² [1T] or 2 tanks to separate trophic levels with 0.6 m² [2T]) of combined culture of PASFs (using H. diversicolor or Arenicola marina) and halophyte plants produced in aquaponics (Salicornia ramosissima) using effluent water of a facility performing zootechnical trials using shrimp (Litopenaeus vannamei).It was concluded that extractive species when cultured in 1T design exhibited similar bioremediation values than those achieved under 2T design (reduction of 74-87% POM, 56-64% DIN and 60-65% of DIP). Considerable productivities were obtained for the polychaete H. diversicolor (≈5,000 ind. m ˉ²; 78-98 g m ˉ²), while A. marina failed to adapt to culture conditions and exhibited a low survival (<10%). The productivity of S. ramosissima obtained in 1T design was approximately twice the one achieved under 2T design (≈ 150-170 and 60-90 g FW m ˉ² edible biomass, respectively). The yellowish coloration exhibited by halophyte plants, was most likely due to the water treatment applied in the RAS system (chemical oxidation and consequent filtration) which removed iron (and likely other oligoelements), thus highlighting limitations that should be considered in future studies. The fifth study evaluated the growth, bioremediation and elemental composition of the halophyte S. ramosissima when cultured under different salinities within the species tolerance range (Sal.15, Sal.20 and Sal.25≈257, 342 and 428 mM NaCl, respectively) and under different concentrations of iron (Fe) (FeDeficiency, FeNormal and FeEnriched ≈5 - 10, 10 - 30 and 250 - 500 μg Fe²⁺ Lˉ¹, respectively). In the salinity experiment, plants grown under Sal.20 exhibited slightly higher productivities, but with no significant differences for the other salinity conditions tested (edible aboveground biomass between 23 – 30 g FW plantˉ¹). During the 60-days trial, plants from the different salinity treatments incorporated in its edible biomass 50 - 63 mg of nitrogen (N), 4.2 - 5.5 mg of phosphorus (P) and 296 - 368 mg of carbon (C). Concerning the iron effect experiment, a positive correlation was recorded between the growth and the increment of the concentration of this element in hydroponic media. FeDeficiency plants generated a significantly lower biomass than the plants cultured under the other conditions tested. FeDeficiency treatment affected the pigment profile and photosystems efficiency of plants (with significantly lower values of chlorophyll and carotenoids being recorded, as well as lower maximum quantum efficiency of photosystem II [Fv/Fm]). A positive correlation between the increment of Fe concentration in the hydroponic media and the increment of C, hydrogen (H), manganese (Mn), Fe, cooper (Cu), zinc (Zn) and molybdenum (Mo) in plant edible biomass was recorded. During the 60 days trial, FeEnriched plants incorporated a significantly higher amount of N, P and C into edible biomass (≈63, 5.5 and 369 mg plantˉ¹, respectively) than FeDeficiency plants (≈28, 3.7 and 161 mg plantˉ¹, respectively). This last study draws attention to the possible effects that may result from the integration of these plants as extractive species in RAS that use water treatments that promote the precipitation and oxidative elimination of Fe (among other essential micro and macronutrients) (e.g., ozonation and chemical oxidation). It further demonstrates that under controlled conditions, it is possible to produce Fe enriched salty vegetables using an environmentally friendly approach, and therefore highlighting the potential of halophyte plants for integrated multi-trophic aquaculture (IMTA). Results here reported are a relevant contribution to foster the development of a more sustainable aquaculture industry, with emphasis on circularity, production, and valorisation of marine biomass, in line with United Nations Sustainable Development Goals.

A indústria da aquacultura desempenha um papel fundamental na segurança alimentar mundial, sendo os efluentes derivados destes sistemas ricos em nutrientes que não são incorporados na biomassa das espécies em produção (ex., alimento não ingerido, fezes e outros produtos de excreção). A aquacultura multi-trófica integrada (IMTA) conceptualiza a recuperação destes nutrientes em biomassa valiosa de espécies extrativas, sendo os poliquetas e as plantas halófitas, respetivamente, espécies chave para incorporarem os nutrientes presentes na matéria orgânica particulada (POM) e inorgânica dissolvida (DIM - incluindo azoto e fosforo inorgânico dissolvido, DIN e DIP, respetivamente). O presente estudo teve como objetivo avaliar a eficiência na capacidade de filtração de efluentes aquícolas, resultante da integração de poliquetas cultivadas em filtros de areia (PASFs) e de plantas halófitas produzidas em aquaponia, encontrando-se dividido em 5 estudos complementares. O primeiro trabalho teve como alvo avaliar a eficiência alcançada com PASFs (recorrendo ao poliqueta Hediste diversicolor) quando sujeitos a diferentes concentrações de nutrientes presentes no efluente de um sistema de produção de peixe (Sparus aurata) em regime semi-intensivo em tanque de terra. Neste estudo concluiu-se que o sucesso reprodutivo de H. diversicolor foi alcançado apenas nos PASFs que revelaram uma maior concentração de POM presente no efluente (1.5-1.8 mg Lˉ¹), tendo estes contribuído para reter ≈70% desta matéria orgânica. Foi ainda possível identificar a colonização natural dos PASFs pelas espécies de poliquetas Diopatra neapolitana, Sabella cf. pavonina e Terebela lapidaria, que se adaptaram às condições de cultivo de IMTA. O segundo trabalho teve como objetivo avaliar a valorização do perfil em ácidos gordos essenciais (EFA) das quatro espécies de poliquetas referidas anteriormente, tendo estas revelado um perfil com elevada concentração de EFA n-3, tais como o ácido eicosapentaenóico e docosahexaenóico (≈ 1.5 – 4.8 and 1.0 – 1.1 μg mgˉ¹ DW, respetivamente). O perfil de ácidos gordos (FA) de D. neapolitana, S. cf. pavonina e T. lapidaria foi descrito pela primeira vez no presente estudo. Hediste diversicolor e T. lapidaria revelaram a maior similaridade em termos de perfil de FA, exibindo ainda a maior similaridade com o alimento fornecido ao peixe produzido no sistema de IMTA. O terceiro estudo teve como intuito otimizar a janela temporal necessária para produzir uma biomassa premium de H. diversicolor enriquecida com EFA quando sujeita a dieta comercial de aquacultura (durante 10, 20 e 40 dias) e quando cultivada sob diferentes condições de temperatura (20 e 25 ºC) e salinidade (15, 20 e 25). As diferentes condições de cultivo testadas não contribuíram para alterações significativas no perfil de FA. Foi possível assistir a um aumento progressivo da concentração total de FA (70 - 90 μg mgˉ¹ DW), assim como da concentração de FA n-3 e n-6 (17-19 e 13-17 μg mgˉ¹ DW, respetivamente), não tendo sido atingido um plateau. No final do estudo, os poliquetas cultivados exibiram uma maior similaridade para com o perfil de FA da dieta comercial utilizadas do que com o perfil de FA dos espécimes iniciais/selvagens. Foi ainda possível reportar evidências da biossíntese de novo de alguns FA (ex., 20:3 n-6, 20:3 n-3, 20:4 n-3). O quarto estudo apresentado teve como finalidade avaliar a eficiência de diferentes configurações (1 único tanque de policultura com 0.3 m² [1T] ou 2 tanques independentes para separar níveis tróficos com 0.6 m² [2T]) de cultivo combinado de PASFs (recorrendo ao poliqueta H. diversicolor ou Arenicola marina) e halófitas em aquaponia (Salicornia ramosissima) na filtração do efluente de uma unidade de testes zootécnicos de produção de camarão (Litopenaeus vannamei). Pode concluir-se que as espécies extrativas quando cultivadas numa configuração 1T exibiram valores de biorremediação similares ao apresentado numa configuração 2T (redução de 74-87% POM, 56-64% de DIN e 60-65% de DIP). O poliqueta H. diversicolor exibiu uma produtividade considerável (≈5.000 ind. m ˉ²; 78-98 g m ˉ²), enquanto a espécie A. marina falhou na adaptação às condições de cultivo e exibiu sobrevivência residual (<10%). A produtividade de S. ramosissima obtida na configuração 1T foi aproximadamente o dobro daquela verificada para a configuração 2T (≈ 150-170 e 60-90 g FW m ˉ² biomassa edível, respetivamente). A coloração amarelada registada nas plantas halófitas, terá muito provavelmente sido devida ao tratamento de água aplicado no sistema de recirculação (oxidação química e consequente filtração) que removeu ferro (e provavelmente outros oligoelementos), destacando assim limitações que devem ser consideradas em estudos futuros. O quinto estudo avaliou o crescimento, a biorremediação e a composição elementar da halófita S. ramosissima quando cultivada sob diferentes salinidades dentro da gama tolerável pela espécie (Sal.15, Sal.20 and Sal.25 ≈257, 342 and 428 mM NaCl, respetivamente) e sob diferentes concentrações de ferro (Fe) (FeDeficiency, FeNormal and FeEnriched ≈5-10, 10-30 and 250-500 μg Fe²⁺ Lˉ¹, respetivamente). No ensaio de salinidade, as plantas que cresceram a Sal.20 exibiram valores de produtividade ligeiramente superiores, mas sem diferenças significativas para as outras condições de salinidade testadas (biomassa aérea edível fresca entre 23 – 30 g plantˉ¹). Durante os 60 dias de estudo, as plantas sob as diferentes condições de salinidade incorporaram na sua biomassa edível 50 - 63 mg de azoto (N), 4.2 - 5.5 mg de fósforo (P) e 296 - 368 mg de carbono (C). Relativamente ao ensaio para avaliar o efeito do ferro, foi possível reportar uma correlação positiva entre o crescimento e o aumento da concentração deste elemento no meio hidropónico. Foi registada uma geração de biomassa significativamente inferior para as plantas FeDeficiency relativamente àquela registada nas restantes condições testadas. O tratamento FeDeficiency afetou o perfil de pigmentos e a eficiência dos fotossistemas das plantas (com valores significativamente inferiores de clorofila e carotenoides a serem registados, assim como valores inferiores da máxima eficiência quântica do fotossistema II [Fv/Fm]). Foi verificada uma correlação positiva entre o aumento da concentração de Fe no meio hidropónico e o aumento da concentração de C, hidrogénio (H), manganês (Mn), Fe, cobre (Cu), zinco (Zn) e molibdénio (Mo) na biomassa edível da planta. Durante os 60 dias de estudo, as plantas FeEnriched incorporaram uma quantidade significativamente superior de N, P e C na sua biomassa edível (≈63, 5.5 e 369 mg plantˉ¹, respetivamente) do que as plantas FeDeficiency (≈28, 3.7 e 161 mg plantˉ¹, respetivamente). Este último estudo chama a atenção para os possíveis efeitos que podem resultar da integração destas plantas como espécies extrativas em sistemas RAS que utilizam tratamentos de água que promovem, a precipitação e eliminação oxidativa de Fe (entre outros micro e macronutrientes essenciais) (ex., ozonificação e oxidação química). Demonstrou ainda que sob condições controladas, é possível produzir vegetais marinhos enriquecidos em Fe através de uma abordagem amiga do ambiente, destacando assim o potencial das plantas halófitas para IMTA. Os resultados aqui reportados constituem informação relevante para o desenvolvimento de uma indústria aquícola sustentável, sendo uma contribuição positiva para a circularidade, produção e valorização de biomassa marinha, estando alinhada com os Objetivos de Desenvolvimento Sustentável propostos pelas Nações Unidas.