Effect of peracetic acid at low concentrations on fish health and water quality
Creators: name: Liu, Dibo
Publisher: name: Humboldt-Universität zu Berlin
Year: 2017
Subjects: subject: Peressigsäure
subject: Immunologie
subject: Stress
subject: Aquakultur
subject: Peracetic acid
subject: Immunology
subject: FOS: Clinical medicine
subject: FOS: Clinical medicine
subject: Aquaculture
subject: 630 Landwirtschaft und verwandte Bereiche
subject: ZD 42000
subject: ZD 38100

description: Peressigsäure (PES) hat seit kurzem als Desinfektionsmittel in der Aquakultur Einzug gehalten. Gegenüber anderen konventionellen Desinfektionsmitteln besitzt es in niedrigsten Konzentrationen (ca. 1 mg l-1) eine hohe Effektivität. Des Weiteren hat die Anwendung von PES kaum einen negativen Einfluss auf die Umwelt. Die Applikation von PES in Aquakulturanlagen erfolgt direkt über das umgebende Haltungswasser. Dies geht mit einem direkten Kontakt der Mikroorganismen und der Fische mit dem Wirkstoff einher. Aus diesem Grund ist generell ein Einfluss auf die Fischgesundheit und die Wasserqualität zu erwarten. Dieser hypothetische Einfluss ist bislang jedoch unzureichend untersucht worden. In der Praxis werden zumeist zwei Applikationsstrategien verfolgt: 1. Wiederholende Kurzzeitpulsapplikationen mit relative hohen PES-Konzentrationen (1-2 mg l-1) und 2. Die kontinuierliche Applikation mit relative geringen PES-Konzentrationen (≤ 0,2 mg l-1) in der Wasserzufuhr. Die potentiellen Unterschiede dieser zwei Strategien speziell auf die Fischgesundheit und die Wasserqualität sind bislang unklar. In der vorliegenden Studie wurden Effekte einer PES-Applikation auf die Fischgesundheit und die mikrobielle Aktivität in identischen Durchflussystemen untersucht. Diese Systeme garantieren eine optimale Wasserqualität. Regenbogenforellen wurde als Testorganismen gewählt. Verschiedene Stressparameter, Parameter des oxidativen Stresses, Wachstum, Kiemenhistologie und Parameter der angeborenen Immunantwort wurden zur Bewertung der Fischgesundheit herangezogen. Sauerstoff, pH und die visuelle Biofilmformation wurden kontinuierlich kontrolliert um die mikrobielle Aktivität zu interpretieren. Dazu wurde zweimal wöchentlich mit 1 mg l-1 PES (Pulsbehandlungen) im Haltungswasser und kontinuierlich mit 0,2 mg l-1 PES am Zulauf exponiert und verglichen. Die Ergebnisse belegen, dass die Pulsapplikationen mit 1 mg l-1 PES, im Gegensatz zur kontinuierlichen Applikation mit 0,2 mg l-1 PES die Fische stressten. Die Fische adaptierten sich jedoch an die PES-Pulsapplikationen. Dies wurde durch nachfolgend weniger heftige Reaktionen der Fische post applicationem, reduzierte Kortisolausschüttungen und unveränderte Reaktionen auf andere Stressoren deutlich. Obwohl die PES-Applikation leichte Hyperplasien in den Kiemen induzierte, war kein Einfluss auf das Wachstum und die angeborene Immunantwort feststellbar. Dies kann als ein Beleg für den fehlenden Einfluss der PES-Exposition auf die Fischgesundheit bewertet werden. PES induzierte unabhängig von den Applikationsstrategien oxidativen Stress in den Fischen. Als Antwort auf die PES-Applikation steigerten die Fische ihre antioxidative Antwort gegen die freien Sauerstoffradikale speziell in den Kiemen und im Serum. Unabhängig von den extrem geringen PES-Konzentrationen in der kontinuierlichen Applikation wiesen die Fische einen geringen oxidativen Stress auf. Der oxidative Stress der Fische in der Pulsexposition war hingegen periodisch nachweisbar. Daraus ist zu schlussfolgern, dass die Fische zwischen den Pulsexpositionen, wenn keine PES vorhanden war, Phasen der Erholung hatten. Das Fehlen dieser Erholungsphase in der kontinuierlichen Expositionsgruppe führte zu einer signifikanten Reduktion der Antiprotease-Aktivität im Serum. Dies impliziert das Risiko einer chronischen Entzündung. Die antimikrobiellen Effekte sind stark von der PES-Konzentration abhängig. Die Pulsapplikation mit 1 mg l-1 PES hemmte die mikrobielle Aktivität stärker als die kontinuierliche Exposition durch einen stärkeren oxidativen Stress. Dadurch wurde der Biofilm fast vollständig erodiert, und die mikrobielle Sauerstoffsverbrauch und nitrifikation inhibiert. Die PES-Konzentrationen in der kontinuierlichen Exposition waren zu gering um signifikante Effekte auf den Mikroorganismen auszuüben. Des Weiteren kann das PES-Zerfallsprodukte, die Essigsäure und Acetate, eine potentielle Kohlenstoffquelle für die Mikrobiota darstellen. Der daraus resultierende stärkere Biofilm kann durch die Besiedelung mit fakultativen Fischpathogenen eine Gefahr für die Fischgesundheit darstellen. Auf Grund des starken antimikrobiellen Effekts und des geringen Risikos die Fischgesundheit zu beeinträchtigen, werden periodisch regelmäßige PES-Applikationen in Konzentrationen von 1-2 mg l-1 empfohlen. Effekte einer PES-Applikation auf Spiegelkarpfen und die Wasserqualität in stark belastetem Wasser einer geschlossenen Aquakulturkreislaufanlage (RAS) wurde ebenso untersucht. Die Induktion einer schlechten Wasserqualität erfolge durch den Stopp der Wasserzufuhr zu den Tanks. Simultan zu den Wasserstopps erfolgte eine Applikation mit 1 mg l -1 PES. Die Stressantwort, Kiemenhistologie und die angeborene Immunantwort wurde mit nicht mit PES exponierten Kontrollfischen verglichen. Der Stopp der Wasserzufuhr steigerte die gesamte heterotrophen Bakteriendichte (GHBD) auf das Sechsfache. Im Gegensatz dazu wurde in den Expositionsgruppen die GHBD um 90% gesenkt. Der stark mikrobiozide Effekt der PES-Exposition verbesserte die Gesundheit der Kiemen, verhinderte bakterielle Infektionen welche in den Kontrollgruppen kurzzeitig festgestellt wurden. Zusammenfassend erhält PES appliziert periodisch in Konzentrationen von 1-2 mg l-1, im Fall der optimalen Wasserqualität, die gute Wasserqualität mit geringfügiger Beeinträchtigung der Fischgesundheit. In der Aquakulturproduktion, in welcher die Wasserqualität meistens durch die hoher Besatzdichte und organischer Belastung verschlechtert wird, verhindern regelmäßige prophylaktische PES-Applikationen Infektionen und begünstigen die Fischgesundheit.
description: Peracetic acid (PAA) has been recently introduced to aquaculture as a sustainable disinfectant. It has great advantages over conventional disinfectants by having high effectiveness and low environmental impact at very low concentrations (around 1 mg L-1). The application of PAA in aquaculture facilities is realized by adding PAA products to the rearing water. This leads to unavoidable exposure of fish and microorganisms (surface-attached and waterborne) to PAA. Consequently, a potential impact of PAA on fish health and microbial activities is expected. This potential impact, however, has been poorly studied. In aquaculture practice, two strategies are broadly used to apply PAA: short term high dose (1-2 mg L-1 PAA) periodic/pulse applications or continuous low dose (≤ 0.2 mg L-1 PAA) application related to the makeup water flow. The potential difference between these two strategies remains unclear, especially concerning their impacts on fish health and water quality. In the present study, the impact of PAA on fish health and microbial activities was tested in identical flow-through systems controlled with optimal water quality. Rainbow trout was selected as the model fish. Various parameters of stress, oxidative stress, growth, gill histology and innate cellular/humoral immunity were measured to indicate fish health. Oxygen, pH and visible biofilm formation were continuously monitored to interpret changes of microbial activities. In addition, the application strategies, biweekly pulse applications of 1 mg L-1 PAA in the rearing water and the continuous application of 0.2 mg L-1 PAA in the inflow, were compared. The results indicate that pulse applications of 1 mg L-1 PAA stressed the naïve fish during the first exposure, while the continuous application not. Fish could progressively adapt to PAA-induced stress, as indicated by less intensive behavioral reaction, reduced cortisol release and unaffected response to another stressor. Although the exposure to PAA induced slight hyperplasia in fish gill, the growth and innate immunity were affected, indicating unaffected overall health. PAA induced oxidative stress in fish, regardless of the application strategies. In response, fish enhanced their antioxidative defense, especially in gill and serum, to scavenge excessive free radicals induced by exposure to PAA. Despite of extremely low PAA concentration measured during the continuous application, the constant input of PAA induced a constant mild oxidative stress to fish. In contrast, the oxidative stress induced by pulse 1 mg L-1 PAA applications was periodic present. Consequently, fish had periodic recovery phases when the pulse PAA applications were absent. The lack of recovery phases in fish exposed to the continuous PAA application resulted in a significant reduction of antiprotease activity in serum. This implies a potential risk of chronic inflammation. The antimicrobial effect of PAA depended on applied concentration. The pulse applications of 1 mg L-1 PAA strongly inhibit microbial activities by inducing a strong oxidative stress. As a result, the biofilm in fish tanks was nearly erased, and the microbial oxygen consumption and nitrification were inhibited. In contrast, the PAA concentration during the continuous application was so low that only a minor antimicrobial effect was observed. In addition, the degradation products, acetic acid and acetate, were beneficial for the biofilm formation by providing organic carbon. The enhanced biofilm may become a potential risk by providing protective shed for opportunistic pathogens. Due to the strong antimicrobial effect and low risk to affect fish health, it’s recommended to apply PAA periodic at high concentrations (1-2 mg L-1) with sufficient intervals. The impact of PAA on fish health and water quality was also tested in a mirror carp recirculating aquaculture system (RAS) challenged with bad water quality. The challenge of bad water quality was realized by transient water stops in fish tanks. Simultaneous to the transient water stops, PAA at 1 mg L-1 was applied. The stress, gill histology and innate cellular immunity were compared in fish with or without simultaneous PAA treatments. The transient water stops caused a 6-fold increase of heterotrophic bacterial density in water, while the simultaneous PAA treatments caused a 90% decrease of heterotrophic bacterial density. The strong antibacterial effect of PAA significantly improved the gill health of fish, and effectively prevented bacterial infections, which were short-term present in fish exposed to transient water stops alone. To sum up, PAA applied periodically at 1-2 mg L-1 in optimal water quality is effective to maintain the water quality at a low cost of scarifying fish health. In production-scale aquaculture facilities, where the water quality is often deteriorated by high stocking density and organic load, regular applications of PAA are especially beneficial to enhance fish health and prevent potential infections.