In vivo studies of respiratory physiology in Arctic charr (Salvelinus alpinus) and Atlantic cod (Gadus morhua) exposed to aquaculture relevant levels of hypoxia, hyperoxia and hypercapnia - Karlsson, Anders (Norwegian University of Life Sciences, Ås, 2010)
Fish in aquaculture will be exposed to water oxygen and carbon dioxide levels that they do not normally encounter in the wild. These unnatural environmental conditions may be challenging to fish as they may lack the proper coping mechanisms to deal with them. The main objectives of this thesis are to investigate how and to what extent Atlantic cod (Gadus morhua) and Arctic charr (Salvelinus alpinus) are able to cope with these conditions. All the experiments were performed using in vivo methods to measure blood parameters in Arctic charr and Atlantic cod. The experimental work in this thesis was performed at three different locations with different experimental facilities. The first experiment was carried out at the aquaculture research facility of Hólar University College in Sauðárkrókur, Iceland. In this experiment, Arctic charr were exposed to mild levels of sub- (hypoxia) and supersaturation of water oxygen (hyperoxia) over the course of four days using circular plastic tanks (Paper I). The experiments for Papers II and III were performed at the Marine Research Station of the Norwegian Institute for Water Research at Solbergstrand, Norway, using fibreglass tanks purposely designed for performing experiments with individual fish. In these experiments cod were cannulated in the caudal artery and recovery was followed for two weeks (Paper II), or cod were allowed to recover for 3-4 days and then exposed to varying levels of hyperoxia (Paper III). The final experiment was done at the Tromsø Aquaculture Research Station at Ringvassøy, Norway, using a swim tunnel respirometer (Paper IV). In this final experiment, cod were exposed to separate and combined supersaturation of carbon dioxide (hypercapnia) and hypoxia or hyperoxia. The dorsal aorta cannulation performed on Arctic charr followed a well established cannulation method. However, this method could not be utilized to cannulate Atlantic cod. The caudal artery cannulation procedure developed during the work presented in this thesis proved to be a useful tool for performing in vivo experiments on Atlantic cod. A comparatively long lasting stress response was observed following cannulation of Atlantic cod. A delayed and equal magnitude stress response was observed in metomidate sedated cod compared to unsedated cod. This response indicates that in experiments where a recovery time of less than three days is necessary metomidate sedation should not be used. The use of cannulated Atlantic cod had large benefits compared to sacrificial sampling for certain blood parameters, indicating that sacrificial sampling is inadequate when sampling blood for analysis of plasma pH or K+ concentration. The main findings reported in this thesis are that Arctic charr and Atlantic cod do not decrease their arterial partial pressure of oxygen (paO2) when exposed to hyperoxia to obtain a steady paO2 similar to that observed in normoxia. Instead, their paO2 follows the water partial pressure of oxygen (pwO2). This may make the Arctic charr and Atlantic cod vulnerable to oxidative stress with consequent negative effects on fish health and welfare. In Paper III the proposed increase in oxidative stress in hyperoxia compared to normoxia was confirmed. This indicates that water oxygenation in aquaculture of Atlantic cod and Arctic charr should be limited to keep pwO2 at normoxic levels. The dependency of paO2 on pwO2 indicates that there are no safe levels of hyperoxia in farming of Atlantic cod and Arctic charr; all levels of hyperoxia are likely to cause increased oxidative stress due to increased paO2. When exposed to hypercapnia, Atlantic cod increased ventilation and consequently paO2 was closer to pwO2 in hypercapnia compared to that in normal water CO2 conditions (normocapnia). Hypercapnia proved to be a more potent ventilatory stimulant than variations in pwO2 at aquaculture relevant levels. The increased paO2 associated with hypercapnia may result in Atlantic cod being more vulnerable to oxidative stress when exposed to combined hypercapnia and hyperoxia than cod exposed to hyperoxia alone. This combined situation is especially common in on-land aquaculture facilities where oxygenation is in frequent use. A strict control of oxygen levels in the tank water should efficiently reduce this problem. Fisk i oppdrett blir eksponert for nivåer av oksygen og karbondioksid i vannet som de vanligvis ikke opplever under naturlige forhold. Dette skjer fordi det er vanlig å tilsette ekstra oksygen til vannet for å kunne produsere mer fisk per tilgjengelig vannvolum i landbasert oppdrett. Dette unaturlige miljøet kan skape problemer for fisken hvis de ikke har måter å håndtere de nye miljøbetingelsene på. Hovedmålene med denne doktorgradsoppgaven var å undersøke i hvilken grad torsk (Gadus morhua) og røye (Salvelinus alpinus) klarer å håndtere de unaturlige miljøbetingelsene de blir utsatt for i intensiv oppdrett. Alle eksperimentene ble utført med in vivo-metoder for å måle blodparametre hos torsk og røye. Eksperimentene som blir presentert i denne oppgaven ble utført på tre forskjellige lokaliteter med ulike forsøksfasiliteter. Det første eksperimentet ble utført på forsøksanlegget for akvakultur til Hólar vitenskapelige høyskole i Sauðárkrókur på Island. I dette eksperimentet ble røye eksponert for moderate nivåer av under- (hypoksi) og overmetning av oksygen i vannet (hyperoksi) i runde plasttanker over en periode på fire dager (Paper I). Eksperimentene som ligger til grunn for Paper II og III ble utført på Norsk Institutt for Vannforskning sin marine forskningsstasjon på Solbergstrand i glassfiberkar spesielt designet for forsøk med individuelle fisk. I disse forsøkene ble torsk kateterisert og fulgt i to uker for å undersøke hvordan og hvor fort de henter seg inn etter operasjon, eller eksponert til varierende grad av hyperoksi etter 3-4 dager innhenting fra operasjon. Det siste eksperimentet (Paper IV) ble gjort på Havbruksstasjonen i Tromsø på Ringvassøy i en kombinert svømmetunnel og respirometer. Her ble torsk eksponert for overmetning av karbondioksid (hyperkapni) og hypoksi eller hyperoksi, enten alene eller i kombinasjon. Kateteriseringen av dorsal aorta i røye fulgte en utprøvd metode for kateterisering av laksefisk. Denne metoden kunne ikke benyttes på torsk. I løpet av doktorgradsarbeidet ble det derfor utviklet en metode for å kateterisere kaudalarterien hos torsk for og kunne ta gjentatte blodprøver så uforstyrret som mulig. Kateteriseringsmetoden viste seg å være verdifull til bruk i in vivo-studier med torsk men hadde en lengre innhentingstid etter operasjon enn forventet. Hos torsk som ble gitt et sløvende middel (metomidat) før bedøvelse ble stressresponsen forsinket, men hadde lik styrke, sammenlignet med torsk som ikke fikk metomidat. Derfor bør ikke metomidat brukes for å sløve torsk i forsøk der en innhentingstid på under tre døgn er nødvendig. Å bruke kateterisert fisk har store fordeler framfor å avlive fisk før blodprøvetaking pga. stresset fisken påføres under håndteringen forbundet med avliving og prøvetaking. Plasma pH og konsentrasjon av K+-ioner viste seg å være spesielt lett påvirkelige for denne typen stress og analyser av disse parametrene i blodprøver tatt fra håndtert fisk kan derfor ha store iboende feil. Hovedfunnene i denne doktorgradsoppgaven viser at torsk og røye ikke nedregulerer sitt arterielle partialtrykk av oksygen (paO2) i hyperoksi for å nå et paO2-målnivå tilsvarende det de har under normoksiske forhold (normalmettet vann). Deres paO2 følger isteden partialtrykket av oksygen i vannet (pwO2). Økt pwO2 kan derfor medføre økt oksidativt stress i fisken på grunn av økt produksjon av frie radikaler grunnet det økte oksygentrykket i fisken. I Paper III ble det påvist økt oksidativt stress hos torsk under hyperoksi. Hyperoksi øker derfor risikoen for negative konsekvenser av betydning for fiskevelferd og fiskehelse. Eksperimentene viste at det ikke kan fastsettes noe trygt nivå av hyperoksi, det vil si opp til et nivå der fisken motvirket økningen i pwO2 og beholdt paO2 på det samme nivået som i normoksiske forhold. Når torsk ble eksponert for hyperkapni økte torskens pustefrekvens og volum. Dette førte til økt paO2 sammenlignet med vann som var normalmettet med karbondioksid (normokapni). Hyperkapni var en sterkere pådriver for pusting hos torsk enn oksygennivå på nivåer som er relevante for oppdrett. Det økte paO2-nivået som er forbundet med hyperkapni kan føre til at torsk som eksponeres for kombinert hyperkapni og hyperoksi opplever mer oksidativt stress enn om de var utsatt for hyperoksi alene. Denne effekten vil være spesielt vanlig i landbasert akvakultur der det tilsettes oksygen til vannet, og en økt biomasse fører til økt karbondioksid i vannet. Ved å holde oksygennivåene i karene på et normoksisk nivå og samtidig sikre god utlufting av karbondioksid vil en kunne fjerne dette problemet.