NITROGEN FLUXES IN FISH CAGE FARMINGS AT THE COAST OF WESTERN GREECE

Christos Belias, Manos Dassenakis, Michael Scoullos*

University of Athens, Department of Chemistry, Laboratory of Environmental Chemistry, Panepistimiopolis, 15771 Athens, Greece

* mio-ee-env@ath.forthnet.gr

Abstract

This study focuses on the nitrogen mass balance in a fish farm located near the Acheloos estuary. The nitrogen loss to the environment

found to be 75% of the input. The nitrogen releases of dissolved and particulate forms were 51% and 24% respectively. 3% of the later

was immediately deposed to the sediments under the cages while the remaining 21% resided in suspended mater recycled through the food

chain and involved in more complex bio-geochemical processes. Furthermore a 6% to 45% from the deposited to the sediments nitrogen

releases back to the water column, depending on the oxidation conditions. 

Key words: Mass balance, nitrogen, aquaculture, Mediterranean, Greece

Rapp. Comm. int. Mer Médit., 37,2004

171

The purpose of this study was the estimation of how much of the

nitrogen supplied with food and juveniles is recovered with the

harvested fish and how much is lost to the environment in a typical

Mediterranean fish farm of sea bream (Sparus aurata) and sea bass

(Dicentrarchus labrax). Furthermore we wanted to determine the

percentage of particulate and dissolved nitrogen distribution in the

environmental loss; how much of the particulate form is accumulated

in the sediment under the cages and how much remains in suspension

or is engaged in biogeochemical outside the immediate vicinity of the

cages. Finally, how much of the nitrogen accumulated in the

sediments emanates in the dissolved form to the overlying water. To

do so we calculated the annual mass balance making the assumption

that the external nitrogen input to the farm, from the open

Mediterranean Sea and the atmosphere was significantly smaller than

the nitrogen originating from the fish farm. 

The study took place during 2002 in collaboration with the

Aquaculture Center of Acheloos, a research and development compa-

ny working on aquaculture production in Western Greece under the

Supervision of the General Secretariat of Research and Technology,

Hellenic Ministry of Development.

Prototype sediment traps were constructed and employed to collect

sinking particles under the cages and to measure the sedimentation

releases. 

A prototype benthic chamber was constructed to study the sediment

/ water exchange of nitrate, nitrite, ammonium and DON under four

oxidation conditions: oxygen depletion (8.00 ppm to 1.55 ppm),

hypoxia (1.60 ppm to 2.10 ppm), oxygenation (2.00 ppm to 7.40 ppm)

and anoxia (rapid fall to 0.20 ppm). 

Ammonium, nitrate, and nitrite were determined in water samples

by standard spectrophotometric methods. Total Dissolved Nitrogen

(TDN) in water samples was determined following the Valderrama

persulfate oxidation method [1]. 

Dissolved Organic Nitrogen (DON) in water samples was

calculated as the difference between TDN and the Total Inorganic

Nitrogen (the sum of NO

3-

, NO

2-

, NH

4+

). Samples of fish food, fish

and particulate matter were frieze dried and analysed following an

effective oxidation method [2].

The nitrogen ?uxes were calculated on the basis of data provided

by the fish farm and the determination of the average water content in

nitrogen and the nitrogen concentration of the various samples (fish

food, juveniles, harvest, fish loss and the particulate matter in the

sediment traps).

Benthic ?uxes of nitrate, nitrite, ammonium and DON, were

measured with the benthic chamber using sediment and overlying

water from the fish farm. Maximum ?uxes for all nitrogen compounds

were observed under anoxic conditions. Ammonium ?uxes were

always the prevailing ones giving rise to significant ammonium

concentrations in the overlying water. On the contrary nitrate ?uxes

were always low. During oxygenation, ammonium concentrations

were significantly lower. Under all oxidant conditions the nitrite

concentrations were the lowest. A decrease of DON concentration in

the overlying water was observed only in hypoxia. 

Concerning the nitrogen mass balance, almost the entire nitrogen

input to the farm during the 2002 growing season was supplied by fish

food (99.8%). The recovery in harvest was 25%. The nitrogen

equivalent to fish loss was negligible (0.3%). The environmental loss

is considerable amounting to 59 Kg N per tonne (t) of fish produced,

corresponding to 75% of the total nitrogen input to the farm. The

dissolved nitrogen release amounted to 68% of the environmental loss

while the particulate release amounted to 32%. Suspended solids

represent 87% of the particulate release (21% of the total nitrogen

input to the farm). Direct sedimentation in the immediate vicinity,

under the cages represents 3% of the total nitrogen input to the farm

or 13% of the particulate release. 

No other similar study in the Mediterranean region is known until

now. Therefore comparison is made with studies from northern

European countries which show that our environmental nitrogen loss

is similar to that determined by Hall et al. (67% to 71%) [3], and by

Phillips et al. (79%) [4]. It is worth mentioning that the amount of

nitrogen per tonne (t) of fish produced found in this study is smaller

than that of the above mentioned works (95 to 102Kg N t

-1

) in [4] and

(104Kg N t

-1

) in [4].

This could be explained partly by the smaller nitrogen

concentration of the fish food used in our case and partly by the higher

fish growth rate in the Mediterranean Sea due to faster fish life cycle

and higher water temperature.

Finally the dissolved nitrogen fraction dominates in the

environmental loss representing in the Greek case 68%, which is

slightly higher than (61%) reported by Hall et al.[3]. 

References

1-Valderama J.C., 1981. The simultaneous analysis of total nitrogen and

total phosphorus in natural waters. Mar. Chem.,10: 109-122.

2-Ladakis M., Belias C., Dassenakis M., Scoullos M., Salta F., 2003. An

effective oxidation method for the simultaneous determination of nitrogen

and phosphorus in marine sediments. 3

rd

International Conference IMA,

23-27 September 2003 Thesalloniki, Greece, pp. 381-384.

3-Hall P.O.J., Holby O., Kollberg S. and Samuelsson M.O. 1992.

Chemical fluxes and mass balances in a marine fish cage farm.

IV.Nitrogen. Mar. Ecol. Prog. Ser.,89: 81-91.

4-Phillips M.J., Beveridge M.C.M., Muir J.F., 1985. Waste output and

environmental effects of rainbow trout cage culture. Comm. Meet. Int.

Coun. Explor. Sea, C.M.-ICES/F: 21, Maricult. Comm., Sess. W.