RECYCLING OF PARTICULATE NITROGEN WASTE FROM THE FISH FARMS: 

EFFICIENCY OF HARD SUBSTRATE DEPLOYMENTS

S. Lojen

1*

, D. Angel

2

, T. Katz

2

, E. Spanier

3

, M. Tsapakis

4

, I. Karakassis

4

N. Kovac

5

, A. Malej

5

, E.Cook

6

, K. Black

6

1

J. Stefan Institute, Ljubljana, Slovenia - * sonja.lojen@ijs.si 

2

National Centre for Mariculture, Eilat, Israel

3

The Leon Recanati Centre for Maritime Studies, University of Haifa, Israel

4

Institute of Marine Biology of Crete, Heraklion, Greece

5

Marine Biology Station, National Institute of Biology, Piran, Slovenia 

6

Scottish Association for Marine Science, Dunstaffnage Marine Laboratory, Oban, Argyll, U.K.

Abstract

The methodology for evaluation of hard substrate deployments for removal of particulate nitrogen waste deriving from aquaculture based

upon 

15

N/

14

N ratios of colonising organisms was developed and tested at four fish farms in N Atlantic, N Adriatic, E Mediterranean and

in the Red Sea. The hard substrates were proven efficient in oligotrophic environments, while in turbulent mesotrophic environments with

multiple nitrogen sources the effect of farm-derived particulate nitrogen on the fouling organisms could not be traced by environmental

isotopes.

Key words: fish farm, nitrogen, stable isotopes, suspension feeders

Rapp. Comm. int. Mer Médit., 37,2004

390

Introduction

Fish farms release large amounts of soluble inorganic and

particulate organic matter (POM) into the environment. In order to

capture effluents released from the fish farms, removable hard

substrates were deployed in the immediate surroundings of the fish

cages, so that these would be colonised by filtering organisms. 

The aim of the present study wasto examine whether the hard

substrate deployment can efficiently reduce the environmental impact

of particulate waste deriving from aquaculture. The ?ow of particulate

organic nitrogen from fish farms to the local food web was traced

using stable nitrogen isotopes. Nitrogen stable isotope compositions

of POM and fouling communities colonising hard substrates

(hereafter referred to as biofilters) adjacent to the fish farms and at

non-polluted reference locations were determined. Based on

differences in 

15

N/

14

N ratios in POM and organisms at both sites, the

contribution of cage-derived particulate nitrogen to the organisms’

diet and thus the efficiency of filtering organisms in removing the

particulate nitrogen waste were estimated. 

Experimental

At four fish farms in Oban (Scotland, N Atlantic), Piran (Slovenia,

N Adriatic), Crete (Greece, W Mediterranean) and Eilat (Israel, Red

Sea), biofiltering units consisting of several ?oating arrays of hard

substrates were installed in June 2001. Each array was a set of plastic

net cylinders (50 cm high, 25 cm in diameter) secured on horizontal

frames at 8 m depth. The biofilter arrays were oriented perpendicular

to the predominant current direction so as to maximise their exposure

to effluents released from the cages. The same structures were

installed at reference locations. 

Samples of particulate organic matter (POM) and fouling

organisms colonising the biofilters at the cages and at reference

locations were taken seasonally from July 2001 to May 2003.

Individual species and entire fouling communities from randomly

selected biofilters were analysed. Faecal material was analysed, too.

Stable isotope compositions of nitrogen were determined using a

continuous-?ow isotope ratio mass spectrometer (Europa 20-20 with

ANCA-SL preparation module) and expressed as relative deviation in

permil from the 

15

N/

14

N ratio of atmospheric nitrogen (

d

15

N).

Assuming that the isotope separation between food (i.e. POM) and

organisms was the same for the same species at the cages and at the

reference locations (1), the fraction of organisms’diet deriving from

the farm-derived waste was estimated using a simple mixing equation.

As end-members, 

d

15

N values of POM at reference locations and fish

faeces as farm-derived particulate waste were considered (2).

Remains of food pellets were considered as negligible since the food

conversion ratios have been reduced to ~1. 

Results and discussion

In most of the cases, a systematic enrichment in 

15

N was observed

in samples collected at the cages compared to those from reference

locations (Table 1). In Oban, d

15

N of POM and fouling organisms

were almost the same at both locations due to the dispersion and

mixing in the turbulent environment. In Piran, POM was enriched in

15

N at the cages compared to the reference location; however, the

organisms at reference location were enriched in 

15

N compared to the

biofilters at the cages. The farm-derived POM was obviously not the

only factor affecting the 

d

15

N of the fouling communities at both sites.

The in?uence of cage-derived POM on the 

d

15

N of fouling organisms

in Crete and in Eilat was detected as an enrichment of fouling

organisms at the cages in 

15

N compared to those at reference locations

by about 2‰. Lower 

d

15

N of the fouling organisms compared to the

POM in Crete are due to the taxonomic composition of the fouling

community, where bryozoans – relying predominantly on phyto-

plankton as a food source – prevailed. It was estimated that at the

same taxonomic composition of fouling communities colonising the

biofilters at the cages and at reference locations, about 76% and 65%

of nitrogen consumed by fouling communities on biofilters at the

farms in Crete and Eilat, respectively, derived from the fish cages. A

big discrepancy in efficiency of removing particulate waste between

entire communities and individual species was observed. The most

efficient in removing particulate waste from fish farms are annelids

(33-48% of recycled N derived from the cages), followed by ascideans

(27%), sponge (21%) and bivalves (19%). A mass calculation of N

consumption was made for the fish farm in Eilat and Crete.

Considering the dry masses of fouling communities (116-575 g/m

2

in

Eilat, 106 – 370 g/m

2

in Crete) and concentrations of N in organisms

(2.2 and 1% dry weight in Eilat and Crete, respectively), 1.6-7.5 g N

from fish cages per m

2

of biofilter was retained in Eilat and 

0.8-2.8 g/m

2

in Crete. 

Acknowledgement. This study was financed by the EU program-

me “Quality of Life and Management of Living Resources”, Contract

No. Q5RS-2000-30305.

References

1-Minagawa M., and Wada E., 1984. Stepwise enrichment of 

15

N along

food chains: Further evidence and the relation between 

d

15

N and animal

age. Geochim. Cosmochim. Acta, 48: 1135-1140.

2-McGhie T.K., Crawford C.M., Mitchell I.M., and O’Brien D., 2000.

The degradation of fish-cage waste during fallowing. Aquaculture, 187:

351-366.

Table 1. Nitrogen stable isotope compositions (

d

15

N) of particulate

organic nitrogen and organisms at four selected fish farms and reference

locations

*stripped from fish

** sampled in traps directly under the cages

+

homogenised samples of entire communities