Effect of low frequency ultrasound and ultraviolet-C light for water disinfection in recirculating aquaculture systems

Abstract

In der Aquakultur sind Kreislaufanlagen ein umweltfreundliches und wassersparendes Produktionsverfahren. Hohe Besatzdichten und das Prinzip der Wasserführung im Kreislauf führen jedoch auch zu einem erhöhten Risiko von Infektionskrankheiten. In dem hier beschriebenen Projekt wurde untersucht, wie sich niederfrequenter Ultraschall (nf-US) in Kombination mit der in der Aquakultur bewährten UV-C Bestrahlung zur Kontrolle von Pathogenen einsetzen lässt. Es wurden vergleichende Untersuchungen zur Effizienz von nf-US, UV-C und deren Kombination gegen prokaryotische und eukaryotische Modellorganismen durchgeführt. Während sich UV-C als sehr effektiv gegen Bakterien erwies, konnte die Gesamtkeimzahl mit nf-US nicht reduziert werden. Eine Vorbehandlung des Wassers mit nf-US verringerte jedoch die mittlere Größe der im Wasser suspendierten Partikel und konnte so die Effektivität von UV-C zur Inaktivierung von Bakterien verbessern. Zur Abtötung eukaryotioscher Organismen wird eine deutlich höhere UV-Dosis als zur Kontrolle von Bakterien benötigt. Eine starke Erhöhung der UV-C Dosis ist jedoch durch die dann mögliche photo-induzierte Bildung von Nitrit aus Nitrat limitiert. Alternativ könnte nf-US zur Abtötung eukariotischer Parasiten verwendet werden. Unterschiedlichen Organismen unterscheiden sich stark in ihrer Empfindlichkeit gegenüber nf-US, wobei sich die dosisabhängige Abtötung sehr gut mit Funktionen einer exponentiellen Abnahme beschreiben lässt. Die toxikologische Untersuchung des mit UV-C und/oder nf-US behandelten Wassers mit dem Fischeitest und dem Leuchtbakterientest ergab keinen Hinweis auf die Bildung toxischer Nebenprodukte. Diese Studie zeigt, dass nf-US mit Dosen, die gegen eine Vielzahl an Parasiten wie Ciliaten, Nematoden und Crustaceen wirksam sind, sicher eingesetzt werden kann. Die Kombination von nf-US und UV-C könnte ein geeignetes Verfahren sein, um alle relevanten Pathogene in Kreislaufanlagen zu kontrollieren.

Recirculating aquaculture systems are well-known as environmentally friendly and high water-efficient production systems. The high stocking densities and low water exchange leads to an increased risk of infectious diseases. In this project the combination of low frequency ultrasound (LFUS) with ultraviolet-C (UV-C) light for the control of pathogens was studied. A comparative study about the efficiency of LFUS, UV-C and their combination against prokaryotic and eukaryotic model organisms was performed. Against bacteria, the application of UV-C was very effective, while the application of LFUS was not effective. However, a pretreatment of the water with LFUS decreased the average size of the suspended particles and improved the bactericidal effect of UV-C light. Compared to the low bactericidal dose of UV-C, a much higher UV-C dose was required for inactivation of eukaryotic model organisms. A significant increase of UV-C dose, however, can be limited by the possible photo-induced formation of nitrite from nitrate. Alternatively, LFUS can be used to kill eukaryotic parasites. However, the efficiency of LFUS differed greatly between species and can be well described by functions of an exponential decay. The evaluation of whole effluent toxicity by using the fish egg test and luminescent bacteria test revealed no evidence of toxic disinfection by-products formation during UV-C irradiation and/or LFUS sonication. This study shows that LFUS can be applied safely at energy densities that are effective against a wide range of eukaryotic parasites like ciliates, nematodes and crustaceans. The combination of LFUS and UV-C could provide an appropriate water treatment with respect to all relevant pathogens in recirculating aquaculture systems.