Integrert makroalgeproduksjon i landbasert RAS

Akvakultursektoren har et stadig økende fokus på produksjon i landbaserte lukkede anlegg hvor flere tiår med forskning har vist at resirkuleringsanlegg (RAS) er den mest lovende teknologien for å kontrollere produksjonsvariabler. Forskere i SINTEF Ocean er nå i gang med å se på hvordan intensivt landbasert fiskeoppdrett kan gjøres mer bærekraftig ved å integrere makroalgeproduksjon i RAS. Dette er et viktig steg mot en sirkulær akvakultur-bioøkonomi.

Artikkelen er skrevet av Silje Forbord, Emily Cowan, Roman Netzer og Andreas Hagemann, og ble opprinelig publisert i NorskFiskeoppdrett her.

Den nye normalen

Samtidig som verdensbefolkningen forventes å øke drastisk frem mot 2050 vil samfunnet trenge tilgang til mer bærekraftige og stabile matkilder. Her kan RAS-teknologi komme inn i bildet. RAS-anlegg er stort sett plassert innendørs hvor man har full kontroll på miljøforholdene og hvor variabler i vannmiljøet som salinitet, temperatur, oksygen, CO₂ og pH enkelt kan kontrolleres. Vannet i RAS-anlegg behandles i trinnvise prosesser før det tilbakeføres til oppdrettstanken, og i moderne RAS-anlegg kan behovet for tilførsel av nytt vann være så lavt som 1 %. Slike anlegg kan derfor plasseres nesten hvor som helst verden.

RAS-teknologien har vært under rask utvikling de siste årene. Sammenliknet med gjennomstrømningsanlegg (FTAS) er RAS designet for å minimere vann- og energiforbruk og øke kontrollen på produksjonsforhold som fysiokjemisk vannkvalitet, mikrobiotaen, fôring og fiskehelse. Fisk skiller ut ammoniakk som er ekstremt giftig for fisken om det akkumuleres i systemet. Effektiv fjerning av ammoniakk fra vannet er derfor en kritisk faktor i RAS, og dette gjøres normalt med biofiltermoduler via bakterier som mellomledd i en to-stegs prosess kalt nitrifisering. Disse modulene har blitt designet for å omdanne ammoniakk, via nitritt, til at nitrat slippes ut som sluttprodukt. På grunn av stadig strengere krav til rensing og utslipp av avløpsvann fra landbaserte anlegg forventes det at det i økende grad fremover vil bli brukt ekstra moduler for denitrifisering. Slike moduler sørger for bakteriell omdanning av nitrat til nitrogengass. Som et alternativ til denne mikrobestøttede fjerningen av nitrogenforbindelser, kan makroalger anvendes som biofilter for å fiksere både nitrogenforbindelser og CO₂ samtidig som de produserer oksygen og biomasse.

«With a little help from a friend»

Helsetilstanden til en art i et RAS-anlegg kan overvåkes, og derfor også forbedres ved hjelp av bedre vannkvalitet fra filtreringssystemet og evt. desinfeksjon i RAS-loopen. Utfordringen er å finne det beste systemet for opprettholdelse av vannkvaliteten og mikrobiotaen som arten krever som samtidig er den mest effektive. En naturlig løsning for å fjerne overskuddsnæring og avfall er å bruke makroalger integrert i RAS-anlegget. Med over 12.000 kjente arter er det særlig en art, nemlig grønnalgen havsalat (Ulva sp), som har blitt utpekt som en egnet kandidat for dyrking i RAS-vann. Denne arten er svært effektiv når det kommer til å ta opp høye næringssaltkonsentrasjoner og kan vokse godt i et bredt spekter av miljøvariabler som salinitet, temperatur og lysintensiteter.

Kombinasjonen av innendørs fiskeoppdrett og makroalgeproduksjon stimulerer en naturlig symbiose som kan redusere risiko for sykdomsutbrudd i anlegget ved å stabilisere produksjonsmiljøet (Ahmed & Turchini, 2021). Ikke bare renser havsalaten vannet før det føres tilbake til fisken, men den setter også kursen mot et klimanøytralt 2050 scenario ved at den allsidige biomassen kan brukes til blant annet biodrivstoff, bærekraftige matprodukter og ingredienser, gjødsel og kosmetikk. En spiseskje med alger kan inneholde over fire gram med protein i tillegg til helsebringende doser av kalsium, jern, magnesium, kalium og essensielle vitaminer og fettsyrer (Koyande et al., 2019). Til forskjell fra planteproteiner som ofte mangler alle de essensielle aminosyrene (Garcia-Vaquero & Hayes, 2016), viste en rapport nylig hvordan makroalger gir svært viktige bidrag til å forebygge underernæring globalt. For å optimalisere integrert landbasert produksjon av havsalat i RAS trengs det mer forskning på hvordan dyrkningsbetingelser som salinitet, temperatur, næringstilgang og lysforhold påvirker vekst, samt mer forskning på prosessering og bioraffinering for å optimalisere utbyttet av de viktigste og mest verdifulle næringsstoffene.

Forsøk med (N)æringssalter

Nitrogen (N) og fosfor (P) er hovedkildene for algevekst, sammen med karbondioksid (CO₂) og lys. Særlig N begrenser veksten i naturen siden dette næringssaltet også brukes av andre levende organismer i sjøen, slik som planteplankton (mikroalger). I løpet av mikroalgeoppblomstringen om våren vil det meste av tilgjengelig N blir oppbrukt og dermed begrense vekst av makroalger. Havsalat og andre makroalger tar hovedsakelig opp uorganisk nitrogen slik som nitrat (NO₃^–), nitritt (NO₂^–) og ammonium (NH₄⁺). Siden RAS vannet har veldig høye nitratkonsentrasjoner, kan dette potensielt gi svært gode vekstvilkår for havsalat som vil akkumulere nitrogen i algevevet som videre brukes som byggesteiner i proteiner og andre nitrogenholdige makromolekyler (f.eks. pigmenter). Det er imidlertid viktig å husk på at dette kun skjer så lenge de andre viktige næringsstoffene for vekst, f.eks. fosfor, også er til stede i tilstrekkelige mengder.

For å undersøke havsalaten sin evne til å effektiv ta opp næringsstoffer fra RAS vann ble det nylig gjennomført to opptaksforsøk i SINTEF Ocean sin nasjonale forskningsinfrastruktur PLANKTONLAB i Trondheim. Forsøkene ble kjørt over en periode på 4 timer i 50 ml ICES inkubatorer med lys og næringskonsentrasjoner som variabler.

Forsøk med næringsgradienter

Det første forsøket ble gjennomført med en gradient av RAS-vann med konsentrasjoner mellom 6 og 33 mg NO₃^– L^-1 med en konstant høy lysintensitet på 310 µmol m^-2 s^-1. Resultatene viser en sterk og positiv korrelasjon (r=0,84) mellom nitratopptak og nitratkonsentrasjon opp til 20 mg NO₃^– L^-1 hvoretter opptaksratene var mindre entydig (Figur 1). Dette kan tyde på at havsalaten nærmet seg et metningspunkt i opptakskapasiteten. Siden RAS-vannet inneholder en del ammonium i tillegg til nitrat, kan dette være med å påvirke opptaksresultatene siden tilstedeværelse av ammonium kan hindre et effektivt nitratopptak (Shpigel et al. 2019).

Forsøk med lysgradienter

Det andre forsøket ble kjørt med ufortynnet RAS-vann (33 mg NO₃^– L^-1) med en gradient i lysintensitet fra 0 til 310 µmol m^-2 s^-1. Resultatene viste ingen korrelasjon mellom N-opptak og lysintensitet, og opptaksratene lå omtrent likt de høyeste ratene i N-gradientforsøket (Figur 1). Selv om lysintensiteten ikke hadde en vesentlig effekt på N-opptaket over en kort tidsperiode så er lys helt nødvendig for biomasseveksten over tid. Derfor er det essensielt å finne de optimale lysintensitetene for god biomassevekst og næringsopptak over et lengre tidsperspektiv, noe som det for tiden forskes på hos SINTEF.

Tilsvarende resultater var også tydelig fra analyser av forholdet mellom karbon og nitrogen (C/N) i havsalat-vevet som økte med minkende N-konsentrasjon i RAS-vannet (C/N= 8,8-11,1), mens C/N ratioene fra lysgradient-forsøket ikke varierte stort og lå på rundt 9,5 i alle behandlinger. Lagring av nitrogen i algevev er en langsom prosess hos mange makroalgearter, slik som vist for sukkertare (Saccharina latissima) som i teorien bruker opp mot 25 dager på å oppnå en signifikant økning i N-verdiene (Forbord et al. 2021). Siden havsalaten kun er to cellelag tykk og mangler spesialiserte strukturer, kan dette føre til en raskere N-lagringsrespons sammenliknet med andre arter med mer kompleks cellestruktur, hvilket gjør denne arten svært attraktiv for bioremediering i RAS.

Stort potensial i biomasseproduksjon

I et annet forsøk der havsalat ble dyrket over en periode på 41 i dager i næringsrikt dypvann (148 μg NO₃^––N L⁻¹, 20.6 μg PO₄^3-–P L⁻¹), ble økning i biomasse sammenlignet mellom høy og lav temperatur (10 and 15 °C) og høy og lav lysintensitet (10-30 and 50-70 µmol m^-2 s^-1). Resultatene viste en signifikant forskjell på vekst mellom de to lysbehandlingene, men ikke mellom de to ulike temperaturene (Figur 2). Langtidseffekten av havsalatvekst i næringsrikt RAS-vann kan gi mye høyere vekstrater enn vist for sjøvann i dette forsøket, men flere forsøk trengs for å kartlegge det fulle potensialet til havsalat som en ny art dyrket i (norske) RAS-anlegg.

Lukking av livssyklus

For å lykkes med kommersiell produksjon av havsalat i RAS kan man ikke belage seg kun på vegetativ vekst og oppskalering av biomassen, hvilket er en risikabel strategi. Til syvende og sist må en havsalat-dyrker mestre hele livssyklusen til algen for å være selvforsynt med påsåingsmateriale året rundt. Hos SINTEF Ocean viser pågående dyrkningsforsøk lovende resultater. Etter et massivt sporeslipp fra fertile planter (sporofytter) i april i år, og påfølgende påsåing på tau, har nå kimplantene nådd en lengde på rundt 0,6 mm (Figur 3). Disse kimplantene vil fortsette å vokse på lab frem til over sommeren, og forhåpentligvis blir satt ut i sjø til høsten hvis alt går etter planen.

Veien videre

Hovedutfordringene med RAS-anlegg er blant annet høyt strømbruk og høye investeringskostnader, men dette vil endres i takt med den stadige utviklingen av ny teknologi innen kunstig belysning og driftsløsninger basert på grønne, fornybare energikilder. Havsalat viser stort økonomisk potensiale til bruk i bioraffineringsløp for å produsere blant annet bærekraftig biodrivstoff (Bruhn et al., 2011), men kanskje i større grad som lokalt produsert mat, fôringrediens eller høyverdige bioaktive komponenter som er mer etterspurt i dag (Bikker, 2016; Garcia-Vaquero, 2016; Øverland, 2019). I dag er det ikke økonomisk lønnsomt å produsere biodrivstoff fra alger, men med den voksende interessen for grønne løsninger i samspill med reduserte produksjonskostnader kan fremtidig dyrking av havsalat i landbasert RAS bli lønnsomt (Bošnjaković, 2020).

Om prosjektet

Dette arbeidet ble gjennomført som en del av av prosjektet «STRANDSNEGL» finansiert av Regionalt Forskningsfond Trøndelag (#299075), Statsnail AS og NOFITECH, samt grunnfinansiering fra Norges Forskningsråd. Vi takker Statsnail AS og Hardingssmolt AS for å skaffe tilveie havsalat og RAS-vann til forsøkene. Forsøkene ble utført i infrastrukturen PLANKTONLAB (#245937/F50) hvor SINTEF Ocean og NTNU er vertskap.

Referanser

Ahmed, N., & Turchini, G. M. (2021). Recirculating aquaculture systems (RAS): Environmental solution and climate change adaptation. Journal of Cleaner Production, 126604.

Bikker, P., van Krimpen, M. M., van Wikselaar, P., Houweling-Tan, B., Scaccia, N., van Hal, J. W., ... & López-Contreras, A. M. (2016). Biorefinery of the green seaweed Ulva lactuca to produce animal feed, chemicals and biofuels. Journal of Applied Phycology, 28(6), 3511-3525.

Bošnjaković, M., & Sinaga, N. (2020). The Perspective of Large-Scale Production of Algae Biodiesel. Applied Sciences, 10(22), 8181.p

Bruhn, A., Dahl, J., Nielsen, H. B., Nikolaisen, L., Rasmussen, M. B., Markager, S., ... & Jensen, P. D. (2011). Bioenergy potential of Ulva lactuca: biomass yield, methane production and combustion. Bioresource technology, 102(3), 2595-2604.

Forbord S, Etter SA, Broch OJ, Dahlen VR, Olsen Y (2021) Initial short-term nitrate uptake in juvenile, cultivated Saccharina latissima (Phaeophyceae) of variable nutritional state. Aquatic Botany 168:103306

Garcia-Vaquero, M., & Hayes, M. (2016). Red and green macroalgae for fish and animal feed and human functional food development. Food Reviews International, 32(1), 15-45

Koyande, A. K., Chew, K. W., Rambabu, K., Tao, Y., Chu, D. T., & Show, P. L. (2019). Microalgae: A potential alternative to health supplementation for humans. Food Science and Human Wellness, 8(1), 16-24

Shpigel M, Guttman L, Ben-Ezra D, Yu J, Chen S (2019) Is Ulva sp. able to be an efficient biofilter for mariculture effluents? Journal of Applied Phycology 31 (4):2449-2459

Øverland, M., Mydland, L. T., & Skrede, A. (2019). Marine macroalgae as sources of protein and bioactive compounds in feed for monogastric animals. Journal of the Science of Food and Agriculture, 99(1), 13-24