Deliverables Establishing Environmental Impact Assessment and...

83
645691 ECOFISH Project MSCARISE2014: Marie SklodowskaCurie Deliverables 2.1 Establishing Environmental Impact Assessment and Habitat Modification Training design and optimization of aquaponics production systems Aquaponics is a combination of the words aquaculture (rearing fish) and hydroponics (growing plants in water without soil) and the ecoinnovative technology behind the concept (Thorarinsdottir et al., 2015) is the integration of hydroponic plant production into recirculating aquaculture systems (RAS). Aquaponics is a manmade ecosystem of plants, fish, bacteria, sometimes worms and/or other organisms, growing together symbiotically (Thorarinsdottir et al., 2015). Aquaponics is also a biointegrated food production system that links recirculating aquaculture with hydroponic vegetable, flower, and/or herb production (Diver 2006). Research in aquaponics began in the 1970s, and the integration of aquaculture and the hydroponic cultivation of plants has been examined repeatedly over the past three decades with a wide variety of system designs, plant and aquatic animal species, and experimental protocols (Rakocy and Hargreaves 1993). McMurtry et al. (1993, 1997) created the firstknown closedloop aquaponic system (called an aquavegeculture system) in 1986 that channeled tilapia effluent into sandplanted tomato beds. Recently, the incorporation of recirculated fish with vegetable hydroponics production has become an interesting model to private sector, aquaculture and environmental scientists (Rakocy et al., 2006; Bakhsh and Shariff, 2007; Endut et al., 2009). Classic RAS are designed to rear large quantities of fish in relatively small volumes of water (Rakocy et al., 2006), thus making water treatment a necessity in order to remove the toxic products that result from fish waste and unconsumed fish feed. Integrated aquaponic systems control the accumulation of waste nutrients from fish culture (Rakocy and Hargreaves, 1993) which may lower overall consumption of water (McMurtry et al., 1997) and produce additional, saleable crops (Rakocy and Hargreaves, 1993). Production of multiple crops via the combination of aquaculture and hydroponic technologies synergizes he economic value of both enterprises (Rupasinghe and Kennedy, 2010). Adler et al. (2000) have also concluded that the hydroponic system drives potential profitability of the combined system with major annual returns deriving from plant production. Also, integrated systems use water more efficiently through the interacting activities of fish and plants. (Endut et al., 2010). The addition of water to a fish tank to satisfy the oxygen requirements depends on the oxygen consumption of the fish, the oxygen concentration in the inlet water and the lowest acceptable concentration in the outlet water (Lekang, 2007). Aquaculture effluent provides most of the nutrients required by plants if the optimum ratio between daily feed input and plant growing area is maintained (Rakocy et al. 2004). The rate of change in nutrient concentration can be influenced by varying the ratio of plants to fish (Rakocy et al., 2006). Since the soluble nutrients available to the plants in the hydroponic

Transcript of Deliverables Establishing Environmental Impact Assessment and...

Page 1: Deliverables Establishing Environmental Impact Assessment and …ecofish-project.com/wp-content/uploads/2018/12/D2.1.pdf · is a toxic metabolic product excreted by the fish, into

645691 ‐ ECOFISH Project MSCA‐RISE‐2014: Marie Sklodowska‐Curie 

 

Deliverables 2.1  Establishing Environmental Impact Assessment and Habitat Modification 

  

Training design and optimization of aquaponics production systems  

Aquaponics  is  a  combination  of  the  words  aquaculture  (rearing  fish)  and  hydroponics 

(growing  plants  in water without  soil)  and  the  eco‐innovative  technology  behind  the  concept 

(Thorarinsdottir et al., 2015)  is  the  integration of hydroponic plant production  into  recirculating 

aquaculture  systems  (RAS).  Aquaponics  is  a  man‐made  ecosystem  of  plants,  fish,  bacteria, 

sometimes worms and/or other organisms, growing together symbiotically (Thorarinsdottir et al., 

2015). 

Aquaponics  is  also  a  biointegrated  food  production  system  that  links  recirculating 

aquaculture with hydroponic vegetable, flower, and/or herb production (Diver 2006). 

Research  in aquaponics began  in  the 1970s, and  the  integration of aquaculture and  the 

hydroponic cultivation of plants has been examined repeatedly over the past three decades with a 

wide  variety  of  system  designs,  plant  and  aquatic  animal  species,  and  experimental  protocols 

(Rakocy and Hargreaves 1993). McMurtry et al.  (1993, 1997) created the  firstknown closed‐loop 

aquaponic system (called an aqua‐vegeculture system) in 1986 that channeled tilapia effluent into 

sand‐planted tomato beds.  

Recently, the incorporation of recirculated fish with vegetable hydroponics production has 

become an interesting model to private sector, aquaculture and environmental scientists (Rakocy 

et al., 2006; Bakhsh and Shariff, 2007; Endut et al., 2009). 

Classic RAS are designed to rear large quantities of fish in relatively small volumes of water 

(Rakocy et al., 2006), thus making water treatment a necessity in order to remove the toxic products 

that result from fish waste and unconsumed fish feed.  Integrated aquaponic systems control the 

accumulation of waste nutrients from fish culture (Rakocy and Hargreaves, 1993) which may lower 

overall  consumption  of water  (McMurtry  et  al.,  1997)  and  produce  additional,  saleable  crops 

(Rakocy and Hargreaves, 1993). 

Production  of  multiple  crops  via  the  combination  of  aquaculture  and  hydroponic 

technologies synergizes he economic value of both enterprises (Rupasinghe and Kennedy, 2010). 

Adler et al. (2000) have also concluded that the hydroponic system drives potential profitability of 

the combined system with major annual returns deriving from plant production. Also,  integrated 

systems use water more efficiently through the interacting activities of fish and plants. (Endut et al., 

2010). The addition of water  to a  fish  tank  to  satisfy  the oxygen  requirements depends on  the 

oxygen  consumption  of  the  fish,  the  oxygen  concentration  in  the  inlet water  and  the  lowest 

acceptable concentration in the outlet water (Lekang, 2007). 

Aquaculture effluent provides most of the nutrients required by plants if the optimum ratio 

between daily feed input and plant growing area is maintained (Rakocy et al. 2004). 

The rate of change in nutrient concentration can be influenced by varying the ratio of plants 

to fish (Rakocy et al., 2006).  Since the soluble nutrients available to the plants  in the hydroponic 

Page 2: Deliverables Establishing Environmental Impact Assessment and …ecofish-project.com/wp-content/uploads/2018/12/D2.1.pdf · is a toxic metabolic product excreted by the fish, into

645691 ‐ ECOFISH Project MSCA‐RISE‐2014: Marie Sklodowska‐Curie 

system do not correlate with the proportions of nutrients assimilated by normally growing plants, 

the rates of change in concentration for individual nutrients differ. Thus, suboptimal concentrations 

and  ratios of nutrients  result,  reducing  the nutritional  adequacy of  the  solution  for plants. The 

nutrient content of a diet can be manipulated to make the relative proportions of nutrients excreted 

by  fish more  similar  to  the  relative proportions of nutrients assimilated by plants.  (Endut et al., 

2009b). With such a diet, there would be an optimal ratio of  fish to plants and optimal nutrient 

supplementation (Seawright et al., 1998). Several mass balance models have been proposed from 

previous studies (Pagand et al., 2000; Papatryphon et al., 2005; Schneider et al., 2005; Mongirdas 

and Kusta, 2006), from which the total nitrogen and phosphorus discharges into receiving waters 

can be estimated. 

No  pesticides  or  antibiotics  are  used  at  any  stage;  therefore,  the  aquaponic  production 

system can be regarded as a part of the organic agriculture (Rakocy 1999). 

The aim of this review is to create a comprehensive image on the design and the technical 

aspects of an integrated aquaponic system. 

 

SYSTEM DESIGN 

1. Recirculating Aquaculture Systems (RAS) 

Recirculating aquaculture systems are indoor, tank‐based systems in which fish are reared 

at high density under controlled environmental conditions. 

The proper functioning of a RAS depends on some key factors, such as: mechanical filtration 

(solid removal), biofiltration and dissolved gas control. 

To maintain good water quality the water has to be filtered to remove solids, ammonia and 

CO2. Likewise the dissolved oxygen level, pH and temperature have to be kept at secure levels at all 

times  (Thorarinsdottir  et  al.,  2015).  The  RAS  technology  has  been  developed  in  recent  years, 

especially  in  relation  to  sludge  handling  and  biofiltration.  The  RAS  technology  development, 

together with more stringent environmental requirements and the need to  increase profitability, 

have led to increased interest in integrated multi‐trophic production methods such as aquaponics 

(Dalsgaard et al., 2012).  

Generally,  recirculating  aquaculture  systems  require  continuous  wastewater  treatment 

using a  variety of  techniques  that have  traditionally been  relatively expensive and  require  very 

skillful personnel to operate (Losordo et al. 1992). The design of the water reuse system, needs to 

be efficient, cost effective, and simple to operate (Al‐Hafedh et al., 2008). 

 

2. Mechanical filtration 

In order to maintain a good water quality and a good functioning of the system, the removal 

of  solid waste  (fish  feces  and  unconsumed  fish  feed)  is  an  essential  process  that must  not  be 

neglected. Not only does waste increases the risk of fish disease and gill damage, but also increase 

the ammonia in the water, decrease the oxygen concentration due to higher biochemical oxygen 

demand (BOD), reduces the biofilter efficiency by fouling the media with heterotrophic bacteria, 

and favors clogging that leads to the formation of anaerobic spots that release hydrogen sulphide, 

an extremely toxic gas for both fish and nitrifying bacteria (Thorarinsdottir et al., 2015). 

Page 3: Deliverables Establishing Environmental Impact Assessment and …ecofish-project.com/wp-content/uploads/2018/12/D2.1.pdf · is a toxic metabolic product excreted by the fish, into

645691 ‐ ECOFISH Project MSCA‐RISE‐2014: Marie Sklodowska‐Curie 

It is important to remove the solids from the water fast, to decrease the retention time of 

the solids in the system; in this way reducing the risk that the solids will break into smaller particles 

which are more difficult to treat and which consume oxygen. This is why mechanical filtration units 

are placed immediately after the rearing tanks and before the biofiltration unit. 

The solids removed from the system, in the form of sludge, since it is still rich in nutrients can be 

valorized and used in agriculture as a natural fertilizer. 

In an aquaponic  system, unremoved  solids  lead  to  clogged plant  roots and grow media, 

which in turn increases the oxygen demand of the system, and the risk of generating methane and 

hydrogen sulphide. 

Mechanical filtration can be accomplished  in many ways. Normally filtration methods rely 

on gravity (sedimentation, swirl separators/radial flow separators), screening (microscreen (drum) 

filter, sand filter and bead filter), oxidation (ozone treatment) or foam fractionation (Thorarinsdottir 

et al., 2015). 

When choosing a solids  filtration method  (either passive sedimentation or mechanical) a 

good  criteria  can be  the  fish  rearing  intensity of  the  farm.  For a  small  farm with  a  low  rearing 

intensity and low water volume a sedimentation filtration is best suited. As the farm size increases, 

stocking densities and feed rates get higher, water volume is higher as well and a mechanical drum 

filter is best suited in this case 

Some  types of mechanical  filters  include: sedimentation basins, drum‐filters, sand  filters, 

bead filters, foam fractionator. 

Table 1. Comparison of different mechanical filter systems (Thorarinsdottir et al., 2015)  

Type Op. water volume (m3/h) 

Op. pressure (PSI) 

Cost (€)  Pros  Cons 

Clarifier   5   Atmosph.  1000  Maintenance‐free. No  electricity, requires only purging the  system  from sludge.  

Low  water  volume compared  to alternatives.  Water retention  time  depends on the particle size to be removed.  

Foam fractionator  

17‐34   Atmosph.  1200  Maintenance‐free. No  electricity, requires only purging the  system  from sludge.  

Low  water  volume compared  to alternatives.  Water retention  time  depends on the particle size to be removed.  

Bead filter   1) 10  2) 23  3) 45  4) 68  

10  20  

1) 3000 2) 8050  3) 12000  4) 20000  

Simple  operations, limited  space  for water  treatment. Suitable  for  small  or medium farms.  

Requires  electricity, some  maintenance needed,  beads  may need  to  be  replaced. Water  needed  for backflush  with  relative disposal.  Number  of flushes  depend  on  the solid load.  

Sand filter   1) 10  2) 22  

30‐50   1) 700 2) 1200  

Simple  operations, limited  space  for water  treatment. 

Requires  electricity  for pumping,  not  practical with  organic wastes,  as 

Page 4: Deliverables Establishing Environmental Impact Assessment and …ecofish-project.com/wp-content/uploads/2018/12/D2.1.pdf · is a toxic metabolic product excreted by the fish, into

645691 ‐ ECOFISH Project MSCA‐RISE‐2014: Marie Sklodowska‐Curie 

Suitable  for  small  or medium farms.  

particles  foul  on  sand making  clogs.  More frequent backflush.  

Drum filter   1) 30  2) 90  3) 140  

Atmosph.  1) 5200 2) 7000  3) 9000  

Effective  for  big farms.  Water movement  is  by gravity.  

Requires  electricity, some  maintenance needed, screens need to be periodically replaced. Water  needed  for backflush  with  relative disposal. 

 

  3. Biofiltration 

  A  key  feature  of  recirculating  aquaculture  and  of  integrated  aquaponic  systems  is  the 

biofiltration component. By recirculating the same water, dangerous toxins accumulate that need 

to be removed. This is achieved by biotreating the water, converting the dissolved ammonia, which 

is a toxic metabolic product excreted by the fish, into the much less harmless nitrate. Due to the 

biofiltration process,  realized by beneficial bacteria, RAS are able  to avoid  the discharge and/or 

replenishment of the most part of the technological water, thus huge water savings are obtained. A 

healthy and matured biofiltration unit  is crucial for a stable and well working RAS (Timmons and 

Ebeling, 2010). 

  In the biofiltration process, three nitrifying bacteria species are responsible for maintaining 

optimal water  quality  parameters.  The  nitrosomonas  converts  ammonium  into  nitrite  and  the 

nitrobacter  and  nitrospira  are  converting  nitrite  into  nitrate.  It must  be mentioned  that  these 

bacteria species are naturally occurring in the environment. They are aerobic autotrophic bacteria, 

and most effective in using the ammonium and nitrite as an energy source, process that requires 

oxygen and a high surface area to develop on. That is why some of the best biofiltration media used 

has a high specific surface area and/or a porous surface (with high water and air retention), such as: 

gravel, sand, pumice, plastic materials, and others. 

  The biofilter  is a  cylindrical or polyhedral  shaped  canister or  tank  that holds  the porous 

filtration media,  the bacteria  and  the water, which must be well aerated  since  the nitrification 

process  is oxygen  consuming. The design of a biofilter  can be a  rudimentary one or a  complex 

industrial one. Since you can’t actually see  the bacteria on  the  filtration media,  the only way  to 

determine  its presence  and  effectiveness  is by  constantly monitoring  the  ammonia, nitrite  and 

nitrate levels of the technological water.  

  There are other environmental factors that influence the proper working of a biofilter, such 

as: water temperature, pH, dissolved oxygen and salinity.  

When first starting a RAS, there  is an acclimation period (as  long as six weeks), during which the 

biofilter becomes effective. The nitrifying bacteria needs time to multiply and colonize the filtration 

media in order to be able to efficiently treat the entire volume of water within the system. If fish 

are  introduced  into  the  system  and  fed,  they  will  provide  the  ammonia  needed  to  start  the 

nitrification process. However the existing bacteria won’t be able to properly treat the water and 

lethal toxicity levels can be achieved. That is why it is recommended that the system need to run 

without fish for a period, and to speed up the bacteria developing process, another ammonia source 

must be added to the system. Also, inoculating the system with technological water and/or filtration 

Page 5: Deliverables Establishing Environmental Impact Assessment and …ecofish-project.com/wp-content/uploads/2018/12/D2.1.pdf · is a toxic metabolic product excreted by the fish, into

645691 ‐ ECOFISH Project MSCA‐RISE‐2014: Marie Sklodowska‐Curie 

media from an already established system is another way to speed up the acclimation time of the 

system. 

  At  the  startup  of  the  new  system,  ammonia  levels will  increase  until  the  nitrosomonas 

bacteria colonizes the system and starts converting ammonia  into nitrite. As the ammonia  levels 

start to decrease, the nitrite levels increase until the nitrobacter/nitrospira bacteria colonizes the 

system,  converting nitrite  into nitrate, and  thus decreasing  the nitrite  levels. The nitrate  in  the 

technological water  is relatively harmless to the fish, and when  integrating a hydroponic module 

with a RAS, the nitrate constitutes the main nitrogen source for the plants, thus removing it from 

the system. 

  The size of the biofiltration unit depends on several factors (Chen et al., 2006), such as: 

The temperature; 

The dissolved oxygen concentration in the water; 

The biofilter’s water exchange; 

The salinity of the water; 

The fish stocking density and the feeding regime; 

The surface area of filtration media; 

The protein content of the fish feed. 

  There  are  several  options when  choosing  a  biofilter,  its  performance  depending  on  the 

technology being used and the characteristics of the filtration media being used. Of which the most 

common are: 

The trickling filter – this is usually a tower‐like tank or canister filled with different specific 

surface media (plastic beads or balls, gravel, pumice, LECA, polyurethane foam). Water  is 

sprinkled  in the upper part of the filter, and, as the name says, trickles down through the 

filtration media. This filter type provides a passive aeration and carbon dioxide removal. 

The moving bed bioreactors (MBBR) – this filtration unit contains neutrally buoyant filtration 

media  that are  constantly  stirred by  the aeration process. The aeration also assures  the 

water is oxygenated and removes the carbon dioxide from the water. The media used in this 

type of biofilter is usually composed of plastic balls or other type of plastic product with high 

specific area. 

The bead filter – this filter it usually is a pressurized cylindrical canister.  The media beads 

inside  are  periodically  stirred  and  cleaned  to  prevent  any  accumulating waste which  is 

removed through backwash. 

The sand filter – this type of filter, just like the bead filter it usually is a pressurized cylindrical 

canister with sand as filtration media. The very high specific area of the sand ensures a very 

high nitrification rate. 

As it has been stated before, the nitrification process is an oxygen consuming one, beside 

the passive aeration occurring  in  the biofilter,  the water needs  to be adequately and constantly 

aerated  (Thorarinsdottir  et  al.,  2015),  in  order  to  supply  sufficient  oxygen  to  the  microbial 

community, to the reared fish and even to the plants in the case of an integrated aquaponic system. 

 

4. Hydroponics 

Page 6: Deliverables Establishing Environmental Impact Assessment and …ecofish-project.com/wp-content/uploads/2018/12/D2.1.pdf · is a toxic metabolic product excreted by the fish, into

645691 ‐ ECOFISH Project MSCA‐RISE‐2014: Marie Sklodowska‐Curie 

The hydroponic technique is the cultivation of plant crops in a soil‐less environment. For the 

growing of plants, the aquaponic systems use the design of the hydroponic systems. 

The main design of aquaponic systems closely mirrors that of recirculating systems in general, with 

the addition of a hydroponic component (Rakocy et al., 2006). 

The main components of an  integrated aquaponic system are: the rearing tank, the solid 

removal units (sump and mechanical filter), the biofiltration unit, the aeration unit, the degassing 

unit, the pumps and the hydroponic culture module (Figure 1). 

 Figure 1. Schematic overview of an integrated aquaponic system (Thorarinsdottir et al., 2015) 

 

Rakocy et al., 2006, considers that there is an optimum arrangement of these components, 

as can be seen in Figure 2, thus the solid removal unit and the bio filtration unit must precede the 

hydroponic culture module. 

 Figure 2. Optimum arrangement of aquaponic system components (not to scale)  

(Rakocy et al., 2006) 

 

Page 7: Deliverables Establishing Environmental Impact Assessment and …ecofish-project.com/wp-content/uploads/2018/12/D2.1.pdf · is a toxic metabolic product excreted by the fish, into

645691 ‐ ECOFISH Project MSCA‐RISE‐2014: Marie Sklodowska‐Curie 

In this way, the effluent from the rearing unit is treated first by removing its suspended and 

settable solids, then it is biofiltered by removing as much ammonia and nitrite as possible, finally 

reaching  the  hydroponic  culture module, where  nutrients  (nitrate  and  other micro  and macro 

elements)  are  absorbed by  the plants  and  additional  ammonia  and nitrite  are  removed by  the 

bacteria growing on the surfaces of the hydroponic module and/or the grow media. After passing 

through the hydroponic culture module, the water is collected into a sump from where it is returned 

to the rearing unit. 

The hydroponic units are populated with seedling grown outside  the system  in soil or  in 

other types of media (e.g. rockwool, peat moss and coconut coir). The efficiency of hydroponically 

grown  plant  can  be  found  in  the  physiological  adaptation  in  young  plants  called  “luxury 

consumption”. This mechanism, first described in 1974 (Van den Driessche, 1974), states that luxury 

consumption  is “...the  increase  in tissue nutrient concentration above the maximum yield, which 

does not result in further yield increase.” In other words, when there are excess nutrients available 

to seedlings, they can uptake and store them, then mobilize the nutrients to tissues in the future 

when needed (Fox et al., 2012). 

More than 30 types of vegetables have been raised in integrated systems on an experimental 

basis  (Rakocy  et  al.  1992).  Lettuce,  herbs,  and  specialty  greens  (spinach,  chives,  basil,  and 

watercress)  have  low  to medium  nutritional  requirements  and  are well  adapted  to  aquaponic 

systems, whereas fruiting plants (tomatoes, bell peppers, and cucumbers) have a higher nutritional 

demand and perform better in a heavily stocked, well‐established aquaponic system (Diver 1996). 

Various  fish  species  are  presently  used  in  aquaponic  systems  including  Nile  tilapia 

(Oreochromis  niloticus),  hybrid  tilapia  (Oreochromis  urolepis  hornorum  X  Oreochromis 

mosambicus),  koi  carp  (Cyprinus  carpio),  hybrid  carp  (Ctenopharyngodon  idella  X  Aristichthys 

nobilis),  hybrid  striped  bass  (Morone  chrysops  X Morone  saxatilis),  and  goldfish  (Carassius  sp.) 

(Selock 2003). Rainbow  trout  (Oncorhynchus mykiss)  (Adler et  al. 2000), Australian barramundi 

(Lates calcarifer) and Murray cod (Maccullochella peelii peelii), as well as various crustaceans such 

as red claw crayfish, (Cherax quadricarinatus) have also been grown  in aquaponic systems (Diver 

2006).  

Different  types  of  hydroponic  media  have  been  used  for  growing  crops  in  aquaponic 

systems, including gravel bed ebb and flow systems, aeroponics, nutrient film technique (NFT), rock 

wool culture, and sand beds (Gonzales 2002). McMurtry et al. (1990) used sand as a medium for 

growing vegetables using aquaculture wastewater, whereas Rakocy and Nair (1987) used floating 

rafts. 

There are three main aquaponic techniques in use worldwide: media grow beds, deep water 

culture (DWC) or floating rafts and the nutrient film technique (NFT) (Thorarinsdottir et al., 2015). 

All three of these techniques work well, but a proper mechanical filtration is still needed. 

 

4.1. Media grow beds 

This system is mostly used in backyard aquaponic systems and in small scale systems. It is a 

solid media‐filled bed system (Thorarinsdottir et al., 2015) filled with light expanded clay aggregate 

Page 8: Deliverables Establishing Environmental Impact Assessment and …ecofish-project.com/wp-content/uploads/2018/12/D2.1.pdf · is a toxic metabolic product excreted by the fish, into

645691 ‐ ECOFISH Project MSCA‐RISE‐2014: Marie Sklodowska‐Curie 

(LECA) (Figure 3A), pumice (Figure 3B), Growstone (Figure 3C), gravel (Figure 3D), zeolite (Figure 3E) 

or expanded shale (Figure 3F). 

 

 Figure 3. Different types of growing media 

 

These media provide  the plants with a good  root  fixation  substrate, also because of  the 

porosity (high specific surface area) and a good water and air retention rate, the media provides 

extra biofiltration/nitrification and mineralization. 

In small scale aquaponic systems that practice a low fish stocking density, the biofilter can 

be completely excluded, the nitrification process being realized by the grow bed media. 

Also red earthworms (Eisenia fetida) can be added in the grow bed.  

These annelids help break down solid waste and excess roots, they supress plant diseases 

and provide extra nutrients to the plants through their excrements – vermicompost. Vermicompost 

has been shown to enhance plant growth, crop yield, and improve root structure and development 

(Pant et al., 2009). 

The media grow bed system can be implemented by choosing one of the two flood regimes: 

constant (continuous) flow or reciprocating flow (“ebb and flow”). 

The constant flow process is simple, just as the name suggests, water flows continuously and 

constant into the grow bed through an inlet at one end and fills it until it reaches a certain desired 

level, then flows out through an outlet or overflow, usually  located at the other end of the grow 

bed. 

The reciprocating flow process can be achieved by either rigging the influent pump to turn 

on and off at specific  intervals, or more conveniently, by using a bell siphon  (Figure 4) over  the 

outlet.  

Page 9: Deliverables Establishing Environmental Impact Assessment and …ecofish-project.com/wp-content/uploads/2018/12/D2.1.pdf · is a toxic metabolic product excreted by the fish, into

645691 ‐ ECOFISH Project MSCA‐RISE‐2014: Marie Sklodowska‐Curie 

 Figure 4. Bell siphon schematic (A) and examples of bell siphon (B) (Fox et al., 2010) 

 

Water flows into the grow bed and it fills it up to a specific level, then it drains out almost 

completely only to start the process once more. This effect is achieved by narrowing the outlet pipe, 

thus creating a suction effect once the water reaches a certain (desired) level. 

In the reciprocating flow variant the media and the plant roots get better aeration (Rakocy 

et al., 2006), unlike the constant flow variant  in which the same media and the roots are always 

under the water level. When cultivating a plant with high nutritional requirements, a constant flow 

system  is  recommended,  but  the  reciprocating  flow  system  has  a  better  biofiltration  and  solid 

removal. 

Lennard and Leonard (2004 and 2006) have demonstrated in their studies that lettuce has a 

greater yield in the constant flow variant and also that it has a better water treatment capability. 

Even so the scientific community is divided regarding this matter. 

The design of a media grow bed  system  is quite  simple;  it  is comprised of a  rectangular 

shaped  trough made of plastic or of wood or concrete covered with  impermeable  lining, plastic 

pipes (with valves) and optionally a bell siphon. 

This hydroponic module is quite easy to build and depending on the media type that is used, 

the cost vary, making it not the cheapest, but also not the most expensive solution. 

Maintenance can be difficult if large amounts of solids get through the mechanical filtration 

unit and end up in the media, over time clogging the media, the roots and even the piping.  

The media grow bed is better suited for plants that bear fruit since the media provides better 

fixation for the roots and support for the plant. 

The crop yield of the media grow bed system is better than that of the DWC system, which 

in turn is better than the NFT system (Lennard and Leonard, 2006). 

 

4.2. Deep water culture (DWC) 

Also known as the floating raft system, the deep water culture system is optimal for both 

small and large scale production systems. 

Page 10: Deliverables Establishing Environmental Impact Assessment and …ecofish-project.com/wp-content/uploads/2018/12/D2.1.pdf · is a toxic metabolic product excreted by the fish, into

645691 ‐ ECOFISH Project MSCA‐RISE‐2014: Marie Sklodowska‐Curie 

The design is simple, the hydroponic tanks are large, not too deep, and usually a minimum 

of 30cm water depth level is maintained. 

The plants grow on polystyrene or plastic  sheets  that  float on  the  surface of  the water, 

usually fixed in small plastic net pots. 

Just  like  the media grow bed  troughs,  the deep water culture  tanks,  in  this case, have a 

simple  design;  rectangular  shape,  made  of  plastic,  metal,  wood  or  concrete  covered  with 

impermeable lining, etc. Water flows in the hydroponic module through an inlet at one end and it 

flows out through an overflow outlet at the other end of the unit. This way a constant water level is 

always maintained and in case of a pump malfunction or power failure, the plants do not die. 

The roots of the plant grow directly into the oxygenated water flowing from the fish tanks 

with a volumetric exchange rate of approximately 30% per hour. (Thorarinsdottir et al., 2015). If the 

solids  filtration  and  removal  is  not  done  properly,  sludge  accumulating  at  the  bottom  of  the 

hydroponic tank and on the roots of the plant blocking oxygen and nutrients uptake. 

Crop management involves transplanting the seedlings into the system and harvesting the 

plants once  they achieve marketable size. This process can be  improved by applying a conveyor 

movement of the rafts similar to the conveyor production system (CPS) used in the NFT systems. 

The seedlings are introduced on floating trays into the system at  inlet end of the hydroponic module 

and moved along the length of the tank as it grows, reaching the outlet end of the tank when it’s 

ready to be harvested. 

The DWC system is easiest to build and the least expensive of the three types of aquaponic 

systems. 

 

4.3. Nutrient film technique (NFT) 

The nutrient film technique system uses long and narrow plastic tubes with a thin layer (film) 

of water continuously flowing through them. 

An absolute requirement in the case of the NFT systems is a good preliminary mechanical 

filtering (Thorarinsdottir et al., 2015). Solids accumulating on the roots must be avoided, not only 

because it can inhibit plant growth, but also because it can lead to clogging of the system.  

The  design  of  the NFT  systems might  be more  complex  than  the  other  two  aquaponic 

systems, but it certainly is the easiest to manage as long as clogging is avoided. The system uses long 

tubes with rectangular or circular section, 10‐15 cm in width or diameter. These tubes have holes 

cut into the top part where plants (optionally in plastic pots) are set.   

The NFT tubes are placed at a 1% angle, the water entering at the raised end, flowing through 

the tube and being gravitationally evacuated at the lowered end. Water is introduced into the NFT 

hydroponic modules with a low flow pump, aiming for a 1‐2 L/min flow regime (Thorarinsdottir et 

al., 2015). Also these pumps require less energy to recirculate the water into the hydroponic units, 

reducing the operational cost. 

An absolute advantage of the NFT system over the other two systems  is the possibility to 

design and build the system vertically, making excellent use of the available growing area. 

In order to avoid the oxygen depletion be the plant roots due to the small volume of water flowing 

through, the tube must not be longer than 10 m. 

Page 11: Deliverables Establishing Environmental Impact Assessment and …ecofish-project.com/wp-content/uploads/2018/12/D2.1.pdf · is a toxic metabolic product excreted by the fish, into

645691 ‐ ECOFISH Project MSCA‐RISE‐2014: Marie Sklodowska‐Curie 

NFT systems also have some drawbacks, like the risk of root clogging and the decrease of the 

water’s nutrients towards the end of the channel. The first issue can be resolved with a good solid 

waste control, whereas the second one can be overcome by implementing a conveyor production 

system (CPS) (Figure 5) within the hydroponic modules. 

 

 Figure 5. Schematic of a conveyor production system (CPS) (Adler et al., 2003) 

 

The CPS works by introducing the seedlings into the system at the start of the channel, and 

as it grows, periodically moving it towards the end, where it is harvested. The CPS not only efficiently 

removes the nutrients from the water, and also reduces the sensitivity of plants to imbalances of 

mobile nutrients in the wastewater (Adler et al., 2003). 

NFT is suitable for a small size plants, such as herbs and salads, but it can also be used to 

grow larger plants, such as tomatoes and okra. A great risk of this system is the possibility of a crop 

loss in case of a system malfunction or power failure – the roots drying up and the plants dying if 

the water  input  is compromised. That’s why backup solution  for power and water  flow must be 

implements. 

The NFT system is very suitable for large scale production systems because of its ease of use 

and simple maintenance. The design and building of this type of system requires more work and it 

is the most expensive of the three aquaponic systems. 

 

 

5. Lighting 

One  important component of the aquaponic system  is the  lighting equipment needed for 

assuring a fast and proper plant development. 

There are several options to choose from, such as: fluorescent bulbs, metal halide bulbs.  The 

lights come in various wave lengths, they cover a certain area and need to be mounted at a certain 

height above the plants, depending on plant species. When choosing the  lighting solution for an 

aquaponic system, a very important aspect also needs to be the acquisition to operating cost ratio. 

Basically the more expensive the lighting system acquisition is the less expensive the operation cost 

over a longer period of time is.  

The lighting operation period during a day can vary depending on the crop that is grown and 

the time of year, but usually around 10 hours of light : 14 hours of dark (Lennard and Leonard, 2004). 

 

 

Page 12: Deliverables Establishing Environmental Impact Assessment and …ecofish-project.com/wp-content/uploads/2018/12/D2.1.pdf · is a toxic metabolic product excreted by the fish, into

645691 ‐ ECOFISH Project MSCA‐RISE‐2014: Marie Sklodowska‐Curie 

CONCLUSIONS 

  An integrated aquaponic production system is a very good way to increase the income of a 

fish farm, growing a secondary sustainable marketable product.  

All three aquaponic systems have their advantages and disadvantages from multiple point of views; 

choosing which one  to  integrate with a RAS  is up  to  the  farmer, depending on  the necessities, 

maintenance and management capabilities and not the least on the available investment costs. 

As general conclusions of this review, the following can be stated: 

The media grow bed system has a better plant biomass yield than the deep water culture 

(DWC) system, respectively than the nutrient film technique (NFT) system. 

The DWC system has better water treatment capabilities than the media grow bed system 

respectively, than the NFT system. 

The DWC system has lower investment costs than the media grow bed system, respectively 

than the NFT system. 

The DWC system is easier to build than the media grow bed system, respectively than the 

NFT system. 

The NFT system  is easier  to maintain  than  the DWC system, respectively  than  the media 

grow bed system. 

Keeping in mind all of the above, a DWC system is recommended for a starting aquaponic 

system. 

 

References 

1. Adler  P.  R., Harper  J.K., Wade  E.M.,  Takeda  F.,  Summerfelt  S.T.,  2000.  Economic  analysis  of  an 

aquaponic system for the integrated production of rainbow trout and plants. International Journal 

of Recirculating Aquaculture 1, 15–34. 

2. Adler  P.R.,  Summerfelt,  S.T.,  Glenn  D.M.,  Takeda  F.,  2003.  Mechanistic  approach  to 

phytoremediation of water. Ecological Engineering, 20, 251–264. 

3. Al‐Hafedh Y.S., Alam A., Beltagi M.S., 2008. Food Production and Water Conservation  in a 

Recirculating Aquaponic System  in Saudi Arabia at Different Ratios of Fish Feed to Plants. 

Journal of the World Aquaculture Society, Vol. 39, No. 4, 1‐11. 

4. Bakhsh  K.,  Shariff  R.,  2007.  Nutrient  optimization  and  computerized  decision  support 

program  in  recirculating  integrated  aquaculture  system.  The  International  Journal  of 

Environmental, Cultural, Economic and Social Sustainability 3 (5), 25–34. 

5. Chen S., Ling J., Blancheton J.P., 2006. Nitrification kinetics of biofilm as affected by water 

quality factors. Aquaculture Engineering 34, 179–197. 

6. Dalsgaard  J.,  Lund  I.,  Thorarinsdottir  R.,  Drengstig  A.,  Arvonen  K.,  Pedersen  P.B.,  2012. 

Farming different species in RAS in Nordic countries: Current status and future perspectives, 

Aquacultural Engineering, doi:10.1016/j.aquaeng.2012.11.008, 2‐13. 

7. Diver S., 1996. Aquaponics‐Integration of hydroponics with aquaculture. ATTRA (Sustainable 

Agriculture  Information  Service)  and  National  Center  for  Appropriate  Technology, 

Publication Number IP 163, http://attra.ncat.org/attra‐pub/PDF/aquaponic.pdf. 

Page 13: Deliverables Establishing Environmental Impact Assessment and …ecofish-project.com/wp-content/uploads/2018/12/D2.1.pdf · is a toxic metabolic product excreted by the fish, into

645691 ‐ ECOFISH Project MSCA‐RISE‐2014: Marie Sklodowska‐Curie 

8. Diver S., 2006. Aquaponics –  integration of hydroponics with aquaculture. Publication No. 

IP163. ATTRA, National Sustainable Agriculture Information Service, 1‐25. 

9. Endut A., Jusoh A., Ali N., Wan Nik W.B., Hassan A., 2009. Effect of flow rate on water quality 

parameters  and  plant  growth  of  water  spinach  (Ipomoea  aquatica)  in  an  aquaponic 

recirculating system. Desalination and Water Treatment 5, 19–28. 

10. Endut A., Jusoh A., Ali N., Wan Nik W.B., Hassan A., (2010). A study on the optimal hydraulic 

loading rate and plant ratios in recirculation aquaponic system. Bioresource Technology 101, 

1511–1517. 

11. Fox B.K., Tamaru C.S., Radovich T.J.K., Klinger‐Bowen RE., McGovern‐Hopkins K., Bright L., 

Pant  A,  Gurr  I.,  Sugano  J,  Sipes  B.,  Lee  C.N.,  2012  Beneficial  Use  of  Vermicompost  in 

Aquaponic Vegetable Production. Hānai‘Ai / The Food Provider, December 2011 / January‐

February 2012, 1‐5. 

12. Fox  B.K.,  Howerton  R.,  TamaruC.S.,  2010.  Construction  of  Automatic  Bell  Siphons  for 

Backyard Aquaponic Systems Biotechnology, JuneBIO‐10, 2010, 1‐11. 

13. Gonzales J., 2002. Greenwater tank systems and aquaponics. Aquaponics Journal 4, 9–19. 

14. Lekang O.I., 2007. Aquaculture Engineering. Blackwell Publishing Ltd., 352. 

15. Lennard W.A., Leonard B.V., 2004 A comparison of reciprocating flow versus constant flow 

in an  integrated, gravel bed, aquaponic test system, Aquaculture International 12, Kluwer 

Academic Publishers, 539–553. 

16. Lennard W.A., Leonard B.V., 2006. A comparison of three different hydroponic sub‐systems 

(gravel bed, floating and nutrient film technique in an Aquaponic test system. Aquaculture 

International Springer Science, Business Media B.V., Volume 14, 539‐550. 

17. Losordo T.M., Rakocy J.E., and Masser M.P., 1992. Recirculating aquaculture tank production 

systems: components options. Southern Regional Aquaculture Center, Publication No. 450. 

United  States  Department  of  Agriculture,  Cooperative  States  Research,  Education,  and 

Extension Service. 

18. McMurtry M.R., Nelson P.V., Sanders D.C., Hodges L., 1990. Sand culture of vegetables using 

recirculating aquaculture effluents. Journal of Applied Agricultural Research 54, 280–284 

19. McMurtry M.R., Sanders D.C., Patterson R.P., Nash A., 1993. Yield of tomato irrigated with 

recirculating aquaculture water. Journal of Productive Agriculture 6, 429–432. 

20. McMurtry M.R., Sanders D.C., Cure  J.D., Hodson R.G., Haning B.C., St. Amand P.C., 1997. 

Efficiency of water use of an integrated fish/vegetable co‐culture system. Journal of World 

Aquaculture Society 28, 420‐428. 

21. Mongirdas V., Kusta A., 2006. Oxygen mass balance in a recirculation aquaculture system for 

raising European Wels (Silurus glanis L.). Ekologija 4, 58–64. 

22. Pagand  P.,  Plancheton  J.P.,  Casellas  C.,  2000.  A model  for  predicting  the  quantities  of 

dissolved  inorganic nitrogen  released  in effluents  from a  sea bass  (Dicentrarchus Labrax) 

recalculating water system. Aquaculture Engineering 22, 137–153. 

23. Pant A.P., Radovich T.J.K., Hue N.V., Talcott S.T., Krenek K.A., 2009. Vermicompost extracts 

influence  growth, mineral  nutrients,  phytonutrients  and  antioxidant  activity  in  pak‐choi 

Page 14: Deliverables Establishing Environmental Impact Assessment and …ecofish-project.com/wp-content/uploads/2018/12/D2.1.pdf · is a toxic metabolic product excreted by the fish, into

645691 ‐ ECOFISH Project MSCA‐RISE‐2014: Marie Sklodowska‐Curie 

(Brassica  rapa  cv.  Bonsai,  Chinensis  group)  grown  under  vermicompost  and  chemical 

fertiliser. Journal of Science Food Agriculture (89), 2383‐2392. 

24. Papatryphon E., Petit J.S., Van der Werf H.M.G., Kaushik J., Kanyarushoki C., 2005. Nutrient 

balance modeling as a tool for environmental management in aquaculture: the case of trout 

farming in France. Environmental Management 35 (2), 161–174. 

25. Rakocy J. E., Nair A., 1987. Integrating fish culture and vegetable hydroponics: problems and 

prospects. Virgin Islands Perspectives, Agriculture Research Notes 2, 19–23. 

26. Rakocy  J.E.,  Losordo T.M., Masser M.P., 1992. Recirculating aquaculture  tank production 

systems: integrating fish and plant culture. SRAC Publication No. 454, 1‐6. 

27. Rakocy J.E., Hargreaves J.A., 1993. Integration of vegetable hydroponics with fish culture: A 

Review.  In: Wang,  J.K.  (Ed.),  Techniques  for Modern  Aquaculture.  American  Society  of 

Agricultural Engineers, 112–136. 

28. Rakocy J.E., 1999. The status of aquaponics. Part 2. Aquaculture Magazine 25, 64–70. 

29. Rakocy  J.E.,  Bailey  D.S.,  Shultz  C.,  Thoman  E.,  2004.  Update  on  tilapia  and  vegetable 

production in the UVI aquaponic system. 676–690. In Bolivar R., Mair G. Fitzsimmons K. (Ed.). 

New dimensions  in farmed tilapia: Proceedings from the 6th  International Symposium on 

Tilapia in Aquaculture. Bureau of Fisheries and Aquatic Resources, Manila, Philippines. 

30. Rakocy  J.E., Masser M.P.,  Losordo T.M., 2006. Recirculating aquaculture  tank production 

systems: Aquaponics – Integrating fish and plant culture. SRAC Publication No. 454, 1‐16. 

31. Rupasinghe  J.W., Kennedy  J.O.S., 2010.    Economic Benefits of  Integrating  a Hydroponic‐

Lettuce  System  into  a  Barramundi  Fish  Production  System.  Aquaculture  Economics  & 

Management, 14: (2), 81‐96. 

32. Schneider  O.,  Sereti  V.,  Eding  E.H.,  Verreth  J.A.J.,  2005.  Analysis  of  nutrient  flows  in 

integrated intensive aquaculture systems. Aquacultural Engineering 32, 379–401. 

33. Seawright  D.E.,  Stickney  R.R.,  Walker  R.B.,  1998.  Nutrient  dynamics  in  integrated 

aquaculture‐hydroponics systems. Aquaculture 160, 215–237. 

34. Selock D., 2003. An introduction to aquaponics: the symbiotic culture of fish and plants. Rural 

Enterprise and Alternative Agricultural Development Initiative Report No. 20, 1‐6. 

35. Thorarinsdottir R.I. (Ed.), Kledal P.R., Skar S.L.G., Sustaeta F., Ragnarsdottir K.V., Mankasingh 

U., Pantanella E., Ven R.v.d., Shultz C., 2015. Aquaponics Guidelines, University of Iceland, 

www.aquaponics.is, 1‐63. 

36. Timmons M.B., Ebeling J.M., 2010. Recirculating Aquaculture. NRAC, 205‐258. 

37. Van den Driessche R., 1974. Prediction of mineral nutrient status of trees by foliar analysis. 

The Botanical Review 40, 347‐394. 

 

   

Page 15: Deliverables Establishing Environmental Impact Assessment and …ecofish-project.com/wp-content/uploads/2018/12/D2.1.pdf · is a toxic metabolic product excreted by the fish, into

645691 ‐ ECOFISH Project MSCA‐RISE‐2014: Marie Sklodowska‐Curie 

Integrated Multi‐Trophic Aquaculture 

Integrated multi‐trophic systems general overview and classification  

 

General overview  

Over  the  past  decade,  integrated multi‐trophic  aquaculture  (IMTA)  has  received much 

attention  as  a means  of  practicing  sustainable  aquaculture  by  recycling  nutrients  through  co‐

cultured species from different trophic levels (Chopin et al., 2008). The waste (feed) and by‐products 

(faeces and nutrients) from fed species (e.g. finfish) and filtering feeders (e.g. shellfish) become food 

for extractive species (e.g. detritivores and seaweed) to reduce farm‐derived organic and nutrient 

loading  into  the environment.  Integrated aquaculture has been practiced  for centuries  in China, 

initially  through  land‐based operations which  later expanded  to  include marine  systems  (NACA, 

1989; Yang et al., 2000). Such integrated culture techniques have recently been incorporated into 

scientific based experiments which monitor the feeding and growth of a mixture of species from 

different  trophic  levels.  These  studies  have  shown  increases  in  both  farm  productivity  and  the 

growth rates of co‐cultured species, and a reduction in waste products (e.g. Li et al., 1983; Wang, 

2001; Chopin et al., 2008; Hughes and Kelly, 2011). 

To avoid or alleviate the negative effects posed by aquafarming, the integrated multi‐trophic 

aquaculture  (IMTA)  is proposed as a potential bio‐mitigation approach.  IMTA aims  to achieve a 

sustainable development of aquaculture and  improve  the productivity of  intensive monoculture 

through  reusing waste  as  food  resources  (Zhang,  et  al.  2015b).  In  this  integrated  system,  the 

targeted species are cocultivated with others having dissimilar feeding habits  in different trophic 

levels (Neori et al. 2004). Various species of nutrient absorber, suspended feeder, deposit feeder, 

and other organic extractive organism could be considered as the candidates to be co‐cultured with 

targeted species (finfish, e.g., red sea bream Pagrus major, Atlantic salmon Salmo salar) in an IMTA 

system. Waste released from fish farm could offer food sources for inorganic and organic nutrient 

extractive species. For instance (Fig. 1), as particulate organic waste (e.g., fish fecal matter, waste 

fish  feed) mainly  sinks  down  to  sea  bottom,  the  deposit  feeders  (e.g.,  Japanese  sea  cucumber 

Apostichopus  japonicus, giant California sea cucumber Parastichopus californicus) will  ingest  it as 

food,  consequently mitigating  the  problem  of  hypoxic  bottom water  due  to  increased  oxygen 

consumption during bacterial decomposition of excessive organic matter.  

As another form of aquaculture waste, dissolved nutrients (e.g., phosphorus, nitrogen) cause 

eutrophication which increases the risk of harmful algal blooms. Planting nutrient absorbers (e.g., 

seaweeds Gracilaria chilensis, Laminaria japonica, Ulva ohnoi) could minimize this risk through their 

competition with phytoplankton for resources, and harvesting macroalgae periodically will speed 

up  the  removal of dissolved nutrients  (Buschmann et al. 2008). Meanwhile, as  the  supplement, 

suspension  feeders  (e.g.,  mussels  Mytilus  edulis,  M.  trossulus,  scallops  Argopecten  irradians, 

Chlamys farreri, Platinopectin yessoensis, oyster Crassostrea gigas, arkshell Scapharca broughtonii) 

and other organic extractive species (e.g., prawns Fenneropenaeus chinensis, Pandalus platyceros, 

abalone Haliotis discus hannai, sea urchin Anthocidaris crassispina,  jellyfish Rhopilema esculenta) 

are capable of  further  filtering the phytoplankton as well as the dispersed small particle organic 

materials from both fish food and feces in water column.  

Page 16: Deliverables Establishing Environmental Impact Assessment and …ecofish-project.com/wp-content/uploads/2018/12/D2.1.pdf · is a toxic metabolic product excreted by the fish, into

645691 ‐ ECOFISH Project MSCA‐RISE‐2014: Marie Sklodowska‐Curie 

Fig. 1 Conceptual diagram of the integrated multi‐trophic aquaculture system. Boxes 

represent state variables and/or interaction processes. Arrows denote the carbon cycle (brown color) and nutrient cycle (pink color), respectively (Zhang, et al. 2015b). 

IMTA  has  been  developed  for  centuries  in  China,  especially  in  respect  of  freshwater 

aquaculture, and then expanded to marine systems  (Li 1987; Yang et al. 2000, 2004; Zhou et al. 

2006; Mao et al. 2009; Li et al. 2014). In the last few decades, many other countries also generate 

an  interest  in  IMTA  system,  for example, Australia, Canada, Chile,  France,  Japan, New  Zealand, 

Spain, the United Kingdom (UK), the United States (US), and Turkey (Petrell and Alie 1996; Ridler et 

al. 2007; Buschmann et al. 2008; Abreu et al. 2009; Troell et al. 2009; Ren et al. 2012; Yokoyama 

2013).  A  few  numerical  studies  of  IMTA  have  been  reported.  For  example,  Ren  et  al.  (2012) 

represented  a  generic  IMTA  model  focusing  on  finfish‐shellfish‐detritivore‐primary  producer 

systems; Hadley et al. (2014) developed a numerical model to quantify the remediation of dissolved 

nutrients and growth of macroalgae. However, most of these studies did not focus on the design of 

extractive organisms in IMTA system based on the hydrodynamic environment. Troell et al. (2009) 

has reported that when the direction of long‐line ropes for the extractive organism is not parallel to 

that of water current, the scallop culture nets may be wrapped by seaweeds L. japonica with 2‐ to 

3‐m length. He also mentioned that the attachment of periphyton had been influenced by current 

velocity. In addition, waste diffusion is also proven to be affected by water current in terms of both 

direction  and  velocity  (Petrell  and  Alie  1996;  Abreu  et  al.  2009;  Zhang  and  Kitazawa  2015a). 

Page 17: Deliverables Establishing Environmental Impact Assessment and …ecofish-project.com/wp-content/uploads/2018/12/D2.1.pdf · is a toxic metabolic product excreted by the fish, into

645691 ‐ ECOFISH Project MSCA‐RISE‐2014: Marie Sklodowska‐Curie 

Therefore, understanding the hydrodynamic environment is important to support decision‐making 

on the optimal design of IMTA for mitigating aquatic waste more efficiently. 

Monoculture practices do not offer the best use of cultivation units. When one considers the 

seawater volume available at a leased site and the volume of water column actually occupied by the 

series of  salmon cages,  it  is obvious  that a cultivation unit  (a  site)  is not optimized. Developing 

integrated  aquaculture  systems  will  not  only  bring  increased  profitability  per  cultivation  unit 

through economic diversification of  co‐cultivating  several  value‐added marine  crops,  it will also 

bring environmental and social sustainability and acceptability (Chopin et al. 2004). Combining fed 

aquaculture  of  finfish with  extractive  organic  aquaculture  of  shellfish,  and  extractive  inorganic 

aquaculture  of  seaweed  provides  a  balanced  ecosystem  approach  to  aquaculture  and  a  cost‐

effective means for reaching effluent regulation compliance by reducing the internalization of the 

total environmental costs (Chopin et al. 2001, McVey et al. 2002). 

Traditionally, open‐sea  fish‐farming methods have  focused on  the  intensive  culture of  a 

single species. An effect of such monospecific cage aquaculture on its surrounding environment is 

the output of suspended solids and dissolved nutrients, which  in some cases has been shown to 

cause environmental degradation (Beveridge 1984, Phillips et al. 1986, Gowen & Bradbury 1987, 

Folke & Kautsky 1989, Beveridge et al. 1991, Phillips et al. 1991, Beveridge et al. 1994, Chopin et al. 

2001). Salmonid farming in particular has experienced intense scrutiny as a result of the generation 

of  large amounts of organic wastes  in  the  form of uneaten  food,  feces, and excretory products, 

which may cause localized hypernutrification possibly leading to eutrophication (Gowen et al. 1988, 

Folke & Kautsky 1989, Folke & Kautsky 1992). Braaten et al. (1983) estimated that 20% of all food 

goes uneaten by cage‐reared salmon, and of what is eaten, 26% is voided as feces. Thus, organic 

particulate discharges into the surrounding water column (both direct, via lost food; and indirect, 

via feces) constitute a large proportion of the overall losses at salmon aquaculture sites. 

Recently,  a  great  amount  of  emphasis  has  been  placed  on  the  development  of more 

sustainable marine aquaculture practices worldwide (Folke & Kautsky 1989, Wurts 2000, Chopin et 

al. 2001, Troell et al. 2003, Neori et al. 2004), with particular emphasis on the viability of integrated 

aquaculture techniques (Kautsky & Folke 1991, Folke & Kautsky 1992, Brzeski & Newkirk 1997, Troell 

et al. 1999).  Integrated aquaculture, already an established practice  in  land‐based systems  (e.g., 

Gordin et al. 1990, Shpigel et al. 1993a, Shpigel et al. 1993b, Neori et al. 1993, Buschmann et al. 

1996a, Buschmann et al. 1996b, Shpigel & Neori 1996, Neori & Shpigel 1999, Neori et al. 2004), has 

recently been suggested for use in the marine environment. These techniques involve the addition 

of extractive  species  (those  that use  food present  in  the water  column and  require no human‐

delivered  food  for growth, such as bivalve molluscs and seaweed, to existing,  ‘‘fed’’  (i.e.,  finfish) 

marine aquaculture systems). The system works on the ecologically based premise whereby waste 

organic particles and dissolved nutrients from fish cages are taken up and assimilated by species at 

lower  trophic  levels  such  as  bivalves  (e.g.,mussels)  and  seaweed,  thus  supplying  nutritional 

enrichment to the extractive species. Such increases in available food and the potential for growth 

advantages of bivalves at cage sites has led to worldwide investigations into growth responses of 

bivalves in co‐culture with finfish (Wallace 1980, Jones & Iwama 1991, Taylor et al. 1992, Okumusx 

&Stirling 1995, Stirling & Okumusx 1995, Cheshuk et al. 2003). 

Page 18: Deliverables Establishing Environmental Impact Assessment and …ecofish-project.com/wp-content/uploads/2018/12/D2.1.pdf · is a toxic metabolic product excreted by the fish, into

645691 ‐ ECOFISH Project MSCA‐RISE‐2014: Marie Sklodowska‐Curie 

The blue mussel (Mytilus edulis) is a logical candidate for an extractive species in temperate 

integrated aquaculture systems. Although M. edulis  is one of  the dominant  intertidal bivalves  in 

most  temperate  areas  of  the  northern  and  southern  hemispheres  (Seed  &  Suchanek  1992), 

populations also occur sub tidally. Typically, the unique aspects of such subtidal populations include 

continuous growth, allowing individuals to attain large sizes in relatively short periods of time (Page 

& Hubbard  1987).  The  ability  of  subtidal  populations  to  grow  rapidly has  led  to  the  successful 

development of fixed suspended cultivation of the blue mussel worldwide. The preestablishment of 

suspended culture, combined with the mussels’ ability to exploit organic food resource from non‐

phytoplankton sources (Widdows et al. 1979, Rodhouse et al. 1984, Page & Hubbard 1987) such as 

fish food (Mazzola & Sara´ 2001, Reid et al. 2010, MacDonald et al. 2011) makes the blue mussel a 

logical integrated aquaculture candidate species.  

In an integrated multi‐trophic aquaculture (IMTA) system, particulate waste normally lost to 

the surrounding environment is used by the mussels for growth, hence lessening the overall organic 

discharge of the site. In turn, the excess energy received (in the form of farm wastes such as unused 

salmon  food)  is  converted  to mussel  flesh  that  is  then  removed as a  second market  species at 

harvest.  Furthermore,  elevated  organic  particles  generated  at  salmon  aquaculture  sites  (Cripps 

1995) may facilitate year‐round mussel growth during nutrient‐limited winters when many bivalve 

species are quiescent and enter a period of zero or negative growth (Widdows et al. 1979). Such 

continuous yearly growth, as a function of increased food availability, decreases the grow‐out time 

for a commercial crop of mussels, allowing  the grower  to maximize production and profitability 

while lessening environmental impacts.  

The availability of organic food particles has been put forward as the single most important 

factor determining growth rate of bivalves such as mussels (Seed & Suchanek 1992), and studies 

have established the presence of daily increases in suspended solids (Taylor et al. 1992, Lander et 

al. submitted) on a year‐round basis (Lander et al. submitted) at salmon farms and they are being 

used by bivalves (Lefebvre et al. 2000, Mazzola & Sara´ 2001, Redmond et al. 2010). To date, 

investigations addressing bivalve growth rates in integrated culture have yielded varied results. 

Although enhanced growth rates have been found in co‐cultured bivalves in several cases (M. 

edulis (Wallace 1980), Pacific oyster Crassostrea gigas (Jones&Iwama 1991), and Mytilus 

galloprovincialis (Sara´ et al. 2009)), other studies have found no enhancement (Taylor et al. 1992, 

Cheshuk et al. 2003, Navarrete‐Mier et al. 2010) or modest enhancement (Farias‐Sanchez 1983, 

Taylor et al. 1992, Stirling & Okumusx 1995) of growth in bivalves cultured adjacent to fish cages. 

 

The IMTA model 

Biogeochemical fluxes in surrounding water and sediments play an important role in nutrient 

cycling and affect internal food supply in farming ecosystems which have been explicitly described 

in many modelling  studies on  shellfish aquaculture  (e.g. Bacher et al., 1998; Grant et al., 2007; 

Grangeré et al., 2010). As an IMTA operation is much more complex than monoculture, the biomass 

and production of each trophic species are difficult to optimise economically through the traditional 

technique of trial and error and experimentation. This present study offers a model framework that 

considers  the  influence of natural biogeochemical  fluxes over  time on  the  integrated nutritional 

Page 19: Deliverables Establishing Environmental Impact Assessment and …ecofish-project.com/wp-content/uploads/2018/12/D2.1.pdf · is a toxic metabolic product excreted by the fish, into

645691 ‐ ECOFISH Project MSCA‐RISE‐2014: Marie Sklodowska‐Curie 

pathways between IMTA groups and  is designed to predict the optimal stocking biomass at each 

trophic  level  to  produce  an  effective  economic  yield.  The  model  incorporates  hydrodynamic 

processes and metabolic energetics of cultured species with an ecological model to design proximal‐

balanced ecological IMTA units (Ren et al. 2012). 

Most ecosystem models strive to relate the distribution and fluctuation in abundance and 

production  of wild  living  organisms  to  variations  in  food  conditions,  predation  and  the  abiotic 

environment (Fransz et al., 1991). Similarly the IMTA model aims to map out interactions between 

co‐cultured species and their ecosystem components and predict productive capacity. The impact 

of cultured species on the environment in coastal systems can also be quantitatively and objectively 

integrated into the model. A few ecosystem models have been developed to assess environmental 

impact and carrying capacity of farming systems, but most of the model development has focused 

on monoculture  of  bivalves  (e.g.  Bacher  et  al.,  1998;  Dowd,  2005;  Grant  et  al.,  2007).  Some 

multispecies modelling work has been attempted to study the carrying capacity of a shellfish poly‐

culture system (Duarte et al., 2003). The functioning of poly‐culture differs from an IMTA system 

because species from the same trophic level are included in poly‐culture (e.g. oysters and scallops 

used  in  these  studies  share  the  same biological and chemical processes which could potentially 

impact natural phytoplankton populations). Culturing species at the same trophic  level does not 

mitigate environmental  impacts  (Chopin et al., 2008).  IMTA practices strive  to  facilitate nutrient 

recycling and optimize co‐culture productivity  through bioremediation. To achieve  this, biomass 

stocking densities of the culture species must be optimized by means of ecosystem models (Ren et 

al. 2012). 

The main focus of this model  is to provide a research tool to fine‐tune the design of field 

trials to optimize yields from each trophic level. Model development followed a number of steps. 

Firstly,  there was developed  an  IMTA model based on dynamic energy budgets  (DEB)  for each 

trophic grouping within a finfish–shellfish‐detritivore‐primary producer profile. Secondly, to test the 

concept and capability of the model,  it was parameterized using potential  IMTA species namely, 

salmon, mussels, sea cucumbers and seaweed. Lastly, IMTA scenario simulations were undertaken 

to understand the dynamics and potential ecological benefits of IMTA farming (Ren et al. 2012). 

The IMTA model incorporates an ecosystem model (Ren et al., 2010) with DEB sub‐models 

for each trophic group within the benthic and pelagic components that interact through carbon and 

nitrogen budgets and nutrient cycling (Fig. 2). The dynamics of all biological groups, cultured and 

non‐cultured organisms, are described at the population level. For cultured animals, the population 

energetics depends on that of individuals. Population dynamics of trophic groups are determined 

by culture strategies and natural mortality. Individuals are removed when reaching a harvest size. 

Stochastic events may  cause  additional mortality but  are not  included  in  the model. Nutrients, 

pelagic organic matter, phytoplankton,  zooplankton and  carnivores are exchanged between  the 

farming system and adjacent open waters. This was driven by local hydrodynamic processes where 

exchange rates were dependent on advection by water currents and turbulent diffusion (Ren et al. 

2012). 

Page 20: Deliverables Establishing Environmental Impact Assessment and …ecofish-project.com/wp-content/uploads/2018/12/D2.1.pdf · is a toxic metabolic product excreted by the fish, into

645691 ‐ ECOFISH Project MSCA‐RISE‐2014: Marie Sklodowska‐Curie 

Fig. 2. Conceptual diagram of the IMTA model illustrating the coupling of ecophysiological 

and biogeochemical processes through carbon (C) and nitrogen (N) pathway between the various 

compartments. The cultured trophic group comprises fed organisms (finfish), suspended filtering 

feeders  (shellfish),  nutrient  extractive  organisms  (seaweed)  and  benthic  detritivores  (sea 

cucumber). The pelagic  compartment  includes phytoplankton,  zooplankton,  carnivore, dissolved 

inorganic nitrogen  (DIN), dissolved organic nitrogen  (DON), pelagic non‐plankton organic carbon 

and pelagic non‐plankton organic nitrogen. DIN consists of ammonia nitrogen  (NH4) and nitrate 

nitrogen (NO3). The benthic compartment is comprised of carbon sediment and nitrogen sediment 

(Ren et al. 2012). 

 

Classification 

The most  frequently  tested  organisms  are molluscs,  which  filter  organic  particles,  and 

phytoplankton, and macro algae, which have the capability of inorganic nutrient uptake (Granada 

et al., 2015). 

Seaweeds 

Integration  of  seaweed  cultivation  to  the  cultivation  of  aquatic  animals  have  been 

successfully applied  to  the  land‐base system  (Rohyani et al., 2015).  In  the  last fifteen years,  the 

integration of seaweed with marine fish culturing has been examined and studied in Canada, Japan, 

Chile, New Zealand, Scotland and the USA. The integration of mussels and oysters as bio‐filters in 

Page 21: Deliverables Establishing Environmental Impact Assessment and …ecofish-project.com/wp-content/uploads/2018/12/D2.1.pdf · is a toxic metabolic product excreted by the fish, into

645691 ‐ ECOFISH Project MSCA‐RISE‐2014: Marie Sklodowska‐Curie 

fish  farming  has  also  been  studied  in  a  number  of  countries,  including Australia, USA, Canada, 

France, Chile and Spain. Also, the recent offshore relocation of many coastal finfish farms in Turkey 

has triggered the interest in IMTA (Granada et al., 2015). 

The ability of macro algae to respond to availability of anthropogenic nutrient (nitrogen and 

phosphorus) input makes them an efficient instrument for bioremediation (Commission Regulation 

(EC) no 710/2009 2009 (Granada et al., 2015). Bio‐filtration by plants, such as algae, is assimilative, 

and  therefore  adds  to  the  assimilative  capacity  of  the  environment  for  nutrients.  Plants 

photosynthesise new biomass through solar energy and the excess nutrients, particularly C, N and 

P.  Theoretically,  this  process  recreates  an  ecosystem,  wherein,  if  properly  balanced,  plant 

autotrophy counts on fish or shrimp and microbial heterotrophy, not only with respect to nutrients 

but also oxygen, pH and CO2. Algae, particularly seaweeds, are the most suitable for bio‐filtration 

because they probably have the highest productivity of all plants and can be economically cultured. 

Integrated multi‐trophic aquaculture research along the Atlantic coast is primarily focused on using 

algae  (mainly  Rhodophyta)  with  fish  (mainly  turbot,  Scophthalmus  maximus,  and  sea  bass, 

Dicentrarchus labrax). Much research is being carried out using Gracilaria bursa‐pastoris, Gracilaria 

gracilis, Chondrus crispus, Palmaria palmata, Porphyra dioica, Asparagopsis armata, Gracilariopsis 

longissima (Rhodophyta), Ulva rotundata and Ulva intestinalis (Chlorophyta) as bio‐filters for use in 

IMTA units. Using this knowledge, researchers have begun experimental studies where algae have 

been integrated with sea bass and turbot. Recent research on marine IMTA systems in industrialized 

nations  has mostly  been  developed  using  experimental  and  small‐scale  operations, which  it  is 

difficult  to  extrapolate  to  larger  industrial  scale  farms.  However,  some marine  IMTA  systems, 

primarily in Asia (China), have been commercially successful at industrial scales, while experimental 

projects  are now  scaling up  towards  commercialization  in Canada, Chile,  the USA  and  in  some 

European countries. On the east coast of Canada, in Bay of Fundy, an IMTA combining kelps, such 

as Saccharina  latissima and Alaria esculenta, with Atlantic salmon and blue mussel, resulted  in a 

substantial increase of kelps and mussels’ growth rates. In Sungo Bay (China), a company works at 

industrial scale, producing the kelp Laminaria japonica with scallop (Chlamys farreri), abalone (H. 

discus hannai) and blue mussel (Mytilus edulis) (Granada et al., 2015). 

The red algae Gracilaria spp. and the green algae Ulva spp. have been found to be efficient 

bio‐filters.  Gracilaria  spp.  have  been  examined  for  their  usefulness  by  laboratory  (using  tank) 

outdoor (pond) and field cultivation experiments (Granada et al., 2015). 

Ulva  spp. have been  studied mainly  from  the  viewpoint of  the  treatment of  land‐based 

pond/tank effluent, and their usefulness in the coastal IMTA system has not been examined closely 

except for a few studies conducted in Japan. An efficient algal‐based integrated mariculture farm 

maintains  optimal  standing  stocks  of  all  the  cultured  organisms,  considering  the  respective 

requirements of each for water and nutrients and the respective rates of excretion and uptake of 

the important solutes by each of them. This allows the profitable use of each of the culture modules 

with minimum waste. Algae, mainly seaweed, have a  large market, and  just  in 2012 about 23.8 

million  tones  valued  at US$  6.4  billion were  sold  for  human  consumption,  phycocolliods,  feed 

supplements,  agrichemicals,  nutraceuticals  and  pharmaceuticals.  Thus,  diversifying  a  culture 

Page 22: Deliverables Establishing Environmental Impact Assessment and …ecofish-project.com/wp-content/uploads/2018/12/D2.1.pdf · is a toxic metabolic product excreted by the fish, into

645691 ‐ ECOFISH Project MSCA‐RISE‐2014: Marie Sklodowska‐Curie 

system,  integrating  extractive  algal  culture with  fish  or  shrimp  farming, makes  sense  not  only 

ecologically but also from an economical point of view (Granada et al., 2015). 

Invertebrates 

The  reduction  of  suspended  solids  and  microbial  pollution  within  aquaculture  can  be 

achieved by  the use of  living organisms. Literature also  reveals  the potential capability of  some 

invertebrates  to  remediate  heavy metals, microbial  contaminants,  hydrocarbons,  nutrients  and 

persistent  organic  pollutants.  Filter‐feeding marine macro  invertebrates  filter  large  volumes  of 

water  for  their  food requirements and exert high efficiency  in retaining small particles  including 

bacteria. Detritus feeder species have also been proposed as a means for recycling the particulate 

organic and inorganic nutrient wastes from fish cage farming (Granada et al., 2015). 

Polychaetes 

The Mediterranean polychaete Sabella spallanzanii showed ability to filter, accumulate and 

remove from waste bacterial groups, including human potential pathogens and vibrios. Sabellids are 

considered  suitable  to  use  in  aquaculture  farms  as  bio‐filters,  also  considering  their  action  in 

removing  suspended  solids  in wastewaters  to which bacteria can be attached. According  to  the 

Global Marine Aquarium Database, 11 178 of sabellidae polychaetes, also known as  fan worms, 

were  imported  from UK between 1991 and 2001  to  Indonesia, Philippines, Singapore, Sri Lanka, 

USA, Brazil, Cuba and Martinique. Thus, additionally to the bio‐filtering capability of these filter‐

feeding organisms, they are also likely to be traded in the marine aquarium industry (Granada et al., 

2015). The mucus of S. spallanzanii contains a complex of at least ten major and six minor proteins, 

one  of which  displays  lysozyme‐like  activity.  The  presence  of  lysozyme  indicates  an  important 

defending role  from bacterial attacks, taking  into account that these organisms  live  in eutrophic 

environments,  like  harbours  where  bacteria,  including  human  pathogens,  are  abundant.  This 

antibacterial activity can also be explored from a biotechnological perspective. The use of rag worms 

in  aquaculture  could  reduce  the  production  of waste  and  increase  the  reproductive  fitness  of 

cultivated animals. The bio‐filtering efficiency of these polychaetes is influenced by the water flow, 

the total suspended solids levels, the age‐at‐stocking and density are the factors that also influence 

their survival and growth (Granada et al., 2015). 

Sponges 

During the past few years, it was proposed for the production of sponge biomass to be used 

at  integrated  aquaculture  systems  and,  accordingly,  filtering  efficiencies  and  particle  uptake  in 

sponges have been studied. The aim was to understand the energy balance of filtering activity, the 

effects  of  temperature  and  the  uptake  of  microorganisms  and/or  particles.  Studies  have 

demonstrated the ability of Demospongiae (Porifera) to unselectively filter organic particles within 

a  size  range  0.1–50  mm,  which  includes  heterotrophic  bacteria,  heterotrophic  eukaryotes, 

phytoplankton and detritus, processing the water column within 24 h, and retaining up to 80% of 

the  suspended  particles.  The  utilisation  of  bacteria  by  sponges,  as  observed  for  sabellids,  also 

suggests  an  applicative  role  for  bioremediation  purposes,  considering  that  bacteria  are  usually 

abundant in waters with high amount of organic matter, reaching particularly high densities in areas 

subjected to aquaculture activities. Thereby, a  large‐scale sponge culture could have a profound 

effect on the water quality in the vicinity of fish farms, combining the production of sponges with 

Page 23: Deliverables Establishing Environmental Impact Assessment and …ecofish-project.com/wp-content/uploads/2018/12/D2.1.pdf · is a toxic metabolic product excreted by the fish, into

645691 ‐ ECOFISH Project MSCA‐RISE‐2014: Marie Sklodowska‐Curie 

remediation  of  pollution.  At  the  same  time,  sponge  growth  is  stimulated,  making  sponge 

aquaculture more  efficient.  Although  the  idea  of  integrated  sponge/fish  aquaculture  has  been 

discussed,  it has not been applied on a  commercial  scale. Studies have been  conducted on  the 

Mediterranean sponges Dysidea avara, Chondrosia  reniformis, Chondrilla nucula  (Milanese et al. 

2003) and Spongia officinalis var. adriatica (Stabili et al. 2006) to assess their potential of filtration 

and  integration with maricultures. All  these  species  showed great filtering efficiency and higher 

growth close to the farm installations (Granada et al., 2015). 

Bivalves 

Bivalves can be potential bio‐controllers for fish farm effluents and for other eutrophication 

sources. Additionally, several authors have found significantly enhanced rates of shellfish, as oysters 

and mussels, when co‐cultivated or grown with salmon (Granada et al., 2015). 

Integrated multi‐trophic  aquaculture  in  earthen  ponds  using  fish  and  oyster  is  not  only 

feasible but may be profitable (Cunha et al., 2012). 

Besides, the effectiveness of the oyster Saccostrea commercialis was tested with positive 

results  concerning  the  reduction  of  total  suspended  solids,  and  total N  and  P.  The  absorption 

efficiency of blue mussels, Mytilus edulis and M. trossulus, on diets of Atlantic salmon particulates 

(feed  and  faeces), with  results  that  support  the  concept  of  culturing  these  organisms  in  close 

proximity to salmon cages in IMTA systems as a process to remediate the solid waste. Moreover, 

bivalves are known to bio‐accumulate human pathogens such as Vibrio species, hepatitis A virus, 

human sapovirus and adenovirus. Few studies suggest that there is potential for shellfish to act as 

reservoirs for finfish pathogens; thus, the integration of shellfish production in fish farms, as in IMTA, 

could potentially change the infection dynamics for fish pathogens. It is reasonable to consider that 

bivalves can be integrated with fish farming in order to reduce ecological impacts while also having 

the potential to develop into a valuable crop for the farmers (Granada et al., 2015). 

Filter feeders bivalves are essentially generalist consumers, and it has been demonstrated 

that  they  can  exploit  organic  matter  from  several  sources  (autochthonous,  allochthonous  or 

anthropogenic), as a function of its availability. In a conceptual open water integrated aquaculture, 

filter  feeder bivalves  are  cultured  adjacent  to  fish  floating  cages,  reducing nutrient  loadings by 

filtering and assimilating particulate wastes (uneaten food and faeces) as well as phytoplankton. In 

this way, bivalves would perform as biological filters. Previous studies have determined that bivalves 

can be successfully incorporated into integrated multi‐trophic aquaculture systems, based on the 

increased growth displayed and the feeding efficiency on pellet feed and fecal products (Deudero 

et al., 2011). 

Sea cucumbers 

Sea  cucumbers  are  detritus  feeders  that  ingest  sediment with  organic matter  including 

detritus of plant and animals, and they are considered important processors of surface sediments 

in many coastal marine systems. Therefore, they would be good candidates for co‐culture in IMTA 

systems (Granada et al., 2015). The Japanese common sea cucumber Apostichopus japonicas  is a 

valuable species in many parts of Asia and extensively world traded. This organism showed potential 

to be used  in  integrated multi‐trophic aquaculture systems, being cultured  in  the water column 

below fish cages, with sea urchins in cages, in abalone tanks, and in hanging scallop lantern nets. C. 

Page 24: Deliverables Establishing Environmental Impact Assessment and …ecofish-project.com/wp-content/uploads/2018/12/D2.1.pdf · is a toxic metabolic product excreted by the fish, into

645691 ‐ ECOFISH Project MSCA‐RISE‐2014: Marie Sklodowska‐Curie 

frondosa exhibit high absorption efficiency  (>80%) when challenged with particulate material of 

higher organic content, such as salmon food and faeces; therefore, it has a great deal potential to 

become an effective organic extractive  IMTA  species.  sea cucumbers may have  the potential  to 

some  extent  constrain or,  in  some  cases, even  reverse  the polluting  impacts of  coastal bivalve 

aquaculture (Granada et al., 2015). 

Aquaponics,  fractionated aquaculture,  IAAS  (integrated agriculture‐aquaculture  systems), 

IPUAS  (integrated  peri‐urban  aquaculture  systems),  and  IFAS  (integrated  fisheries‐aquaculture 

systems)  may  also  be  considered  variations  of  the  IMTA  concept  (Barrington  et  al.,  2009). 

Aquaponics  is  considered  as  the most  common  worldwide  IMTA  system,  generating  its main 

outputs:  raising  the efficiency of economic activities by creating additional  income using second 

crop cultures (vegetables, flowers). 

 Aquaponics as an integrated multi‐trophic system for water quality control in recirculating 

aquaculture systems  Ensuring the necessary resources and later on, improving the quality of life by introducing 

new products and production methods or improving the existing ones, are characterized as major goals that maintain a continuous upward trend of scientific  innovations. Therefore, the need for technical and technological development of several productive sectors  in order to  increase their productivity and also limit the negative effect manifested on the environment is imperative.  

Aquaculture gained popularity among investors, especially in the last decade, mostly due to the possibility of practicing high stocking densities. The technological backgrounds of this intensive aquaculture production are directly  related  to  recirculating aquaculture  systems  (RAS). Another advantage of RAS  implies  low water‐use rates, fact that characterizes those  intensive production systems in terms of technical and technological performance. According to Masser et al. (1999), the majority of recirculating systems have a daily technological water exchange rate between 5‐10%, with the purpose of preventing ammonia nitrogen, as well as the other nitrogen compounds (nitrites and nitrates), to reach alarming concentrations, but also to re‐establish the quantity of technological water lost due to the processes of evaporation and mechanical filter self‐cleaning (Petrea, 2014A). 

Both the implementation of new water treatment methods and improving the existing ones are essential requirements in the development of aquaculture sector (Petrea, 2014A). The uses of high‐end  equipment  for mechanical,  chemical  and  biological  filtration  and  also  the  increase  of recirculation flow, are generally the proposed technical solutions in order to achieve a more efficient technological water treatment process  in RAS (Petrea, 2014A) From applicative point of view, all these  solutions  have  been  proved  to  give  positive  results,  but  the  profitability  of  recirculating systems has manifested a downward trend due to the increase of capital costs and especially due to the swift rise of variable costs, especially those related to electricity (Petrea, 2014A). 

Therefore, the use of bio and phytoremediation techniques by integrating hydroponics with RAS and  synchronizing  these  two production  technologies has  the potential  to  solve  the above mentioned deficiencies. 

The aim of this present study is to compare the information reported by different authors in their  scientific  studies  regarding  the bio  and phytoremediation potential of  various  aquaponics integrated systems, where different combinations of fish to plants species, feeding regimes, fish to plants ratio and aquaponics growing techniques were tested. 

 

Page 25: Deliverables Establishing Environmental Impact Assessment and …ecofish-project.com/wp-content/uploads/2018/12/D2.1.pdf · is a toxic metabolic product excreted by the fish, into

645691 ‐ ECOFISH Project MSCA‐RISE‐2014: Marie Sklodowska‐Curie 

The reduction of water exchange rates  in RAS, generates a decrease of operational costs. 

Thus,  it  can  be  stated  that  a  secondary  production,  consisting  of  plants,  assured  by  using  the nutrients from the technological water, without involving additional costs, improves the profitability potential of a RAS (Timmons, 2002).   

Technical and technological factors that influence water treatment capacity of aquaponic integrated systems 

The plants biomass has its contribution on water quality optimization process and under a judicious sizing between fish biomass: plants biomass: production of metabolic wastes, they have the potential to replace the biological filtration units. 

Also, it is recommended to apply a production management which consists in growing plants in various grow stages during a production cycle, also known as CPS (conveyor production system), in order to ensure the maintenance of a constant nutrients concentration in the RAS (Adler et al., 2003). 

The water treatment capacity of an aquaponic system depends mostly by  its construction design,  aquaponic  technique  applied  and  phytoremediation  capacity  of  cultured  plant  species (Figure 3.).  

 

 Figure 3. Technical and technological factors that can influence water treatment capacity of 

aquaponic integrated systems   

Grabber  et  al.  (2009) mentioned  that  plants  can  be  grown  in  aquaponic  conditions,  on 

different types of media, used as biological trickling filter, thus combining the ammonia nitrogen 

oxidation process (ANOP) with the absorption of the final products, nitrates. Therefore, the use of 

Page 26: Deliverables Establishing Environmental Impact Assessment and …ecofish-project.com/wp-content/uploads/2018/12/D2.1.pdf · is a toxic metabolic product excreted by the fish, into

645691 ‐ ECOFISH Project MSCA‐RISE‐2014: Marie Sklodowska‐Curie 

substrate aquaponic technique  is recommended especially  in case of RAS that have an oversized 

production capacity, compared with the size of their biological filtration units.   

 In contrast to bacterial degradation, nutrient uptake by plants is conditioned by the surface, 

fact similar to the relationship between photosynthesis and solar radiation (Grabber et al., 2009). 

Therefore,  in order  to obtain  a high nutrients  recirculation  rate,  trickling biofilters must 

provide sufficient contact area for plant growth and photosynthesis processes related to them, in 

relation to their volume (Grabber et al., 2009). 

Water quality in recirculating aquaponics systems 

In a recirculating  integrated aquaponic system (RAIS), both fish stocking density and plant 

culture density must be  increased gradually  in order to prevent high concentrations of ammonia 

and nitrite in the water (Ministry of Foreign Affairs, New Zealand, 2013).  

The use of low growing and culture densities, for both fish and plants biomass, generates a 

certain fish productivity but,  in the end, the production costs proves, to be higher than the total 

value of obtained production (Ministry of Foreign Affairs, New Zealand, 2013). Thus, the need of 

having high production  capacities  requires  a high managerial  input,  related  to water  chemistry 

monitoring technology and both fish and plants production planning (Ministry of Foreign Affairs, 

New Zealand, 2013).  

Rakocy  et  al.  (2006)  noted  that  in  a  aquaponic  system,  the  concentration  of  nitrates, 

phosphates and sulphates are usually at levels considered more than optimal, compared with the 

concentration of potassium and calcium, which are mostly insufficient and must be supplemented 

by adding potassium hydroxide and calcium hydroxide. These bases are added in varying amounts 

and have as secondary aim, to maintain the optimum pH value.  

One  of  the  negative  aspects  of  RAIS  is  the  major  deficiencies  in  various  nutrients 

concentration, like iron, although in terms of nitrogen concentration, the system is in equilibrium It 

should  be  pointed  out  that,  compared  to  hydroponic  systems,  nutrient  balance  in RAIS  is  very 

different  in  terms  of  the  concentration  of  added  compounds  (Ministry  of  Foreign Affairs, New 

Zealand, 2013; Racoky et al., 2006). 

Endut  et  al.  (2009)  points  out  that  the  process  of  removing  nutrients  such  as  inorganic 

nitrogen and phosphate is essential for both industrial water and aquaculture effluents treatment 

and also, against eutrophication processes, in order for it to be reused. It is noted that, depending 

on the species of plants and fish and also, the growth technology and aquaponic techniques used, 

integrated  recirculating  systems  record  the  following  removal  rates:  BOD5  (47‐65%),  total 

suspended  solids  (67‐83%),  total nitrogen  ammonia  (64‐78%)  and nitrite  (68‐89%)  (Endut et  al, 

2009). 

It  should  be  noted  that,  in  a  RAIS,  the  removal  rates  values  are  proportional with  the 

recirculating flow value. Total phosphorus and nitrate removal rates are negatively correlated with 

the aquaponic units, inlet flow value and can reach, according to Endut et al. (2009), the following 

performances: 43‐53% for total phosphorus and 42‐65% for nitrate. Fish appetite, its metabolism 

and also, the feeding regimes applied, are important variables that influence both water quality and 

phyto‐bioremediation capacity of a certain recirculating aquaponic  integrated system. Cripps and 

Page 27: Deliverables Establishing Environmental Impact Assessment and …ecofish-project.com/wp-content/uploads/2018/12/D2.1.pdf · is a toxic metabolic product excreted by the fish, into

645691 ‐ ECOFISH Project MSCA‐RISE‐2014: Marie Sklodowska‐Curie 

Kumar (2003) states that depending on the technological conditions, approximately 85% of total 

phosphorus inputs and 52‐95% of the nitrogen inputs may be lost through faeces and uneaten food. 

Biochemical Oxygen Demand (BOD5) 

BOD5 concentration within an RAIS has a tendency to  increase during the germination of 

plant biomass due to increased concentration of dissolved and suspended solids, generated by this 

development stage of the seeds (Nelson, 2004). Also, both uneaten food and fish wastes generated 

by the metabolic activity are a major source of organic matter that directly affects the concentration 

of BOD5 in the embedded systems (Viadero et al., 2005) 

In RAIS,  the  surface  area  and plant  roots density  are major  factors  that  influence BOD5 

(Bonzoun et al, 1982). The ratio between plants roots surface and aquaponic unit volume is directly 

proportional with BOD5 removal rate. This can be supported by the fact that a greater root surface 

offers  better  opportunities  for microorganism  development. Graber  and  Junge  (2009)  reported 

higher removal rates for COD, BOD5, ammonia nitrogen and total phosphorus in aquaponic units 

designed with a water column height of 0.27m, compared with  those having 0.5 m  (Graber and 

Junge, 2009). 

Total suspended solids (TSS) 

The values reported by various authors for total solids concentration in water, within a RAIS, 

have a wide variation range Endut et al., 2009; Sikawa et al.,  2010; Ghaly, et al., 2005). Endut et al. 

(2009)  reported  a  significant  influence  of  the  inlet  flow  value  on  total  suspended  solids  (TSS) 

dynamics. Ghaly and Snow (2008) found as notable the phytoremediation capacity of barley, grown 

under  aquaponic  conditions,  in  term of  TSS  removal  rate  from  a  recirculating  trout production 

system effluent. 

Different  studies  have  reported  a  downward  tendency  of  TSS  concentration,  during  the 

growth period of plants biomass, in integrated recirculating aquaponic system conditions (Ghaly et 

al, 2005). This  fact  is explained by Ghaly et. al  (2005) with  the supporting argument  that plants 

increase  their  capacity  of  filtration,  at  the  level  of  their  root  area,  during  their  growth  cycle. 

Dissolved  solids within  the  integrated  production  system  are  absorbed  by  plants  as  nutrients, 

process which is influenced by both plant species, type and culture density (Ghaly et al., 2005). Jiang 

and Xinyuan (1999) reported a TSS removal rate of 75%, by using layers of floating submerged and 

emerged plants. Lin et. al (2002) reported a higher TSS removal rate, of 90%, by using Paspalum 

vaginatum. 

Nitrogen 

An  RAIS  can  be  evaluated  in  terms  of  its  water  treatment  capacity  by  phyto  and 

bioremediation processes, through a precise nitrogen cycle assessment.  

In  their research, Ghaly and Snow  (2008) revealed a decrease of  total ammonia nitrogen 

concentration by 75%, within an RAIS, by using biomass  trout and barley. Bouzoun et al.  (1982) 

reported a 34% decrease in the total ammonia nitrogen concentration, after five months, by using 

reed hydroponic culture.  

Ammonium is a major source of inorganic nitrogen, absorbed especially by the roots of tall 

stemmed plants  (Vaillant et al., 2004.).  It can be assimilated by microorganisms and turned  into 

organic matter, or it can be removed via nitrification processes (Ghaly et al., 2005). 

Page 28: Deliverables Establishing Environmental Impact Assessment and …ecofish-project.com/wp-content/uploads/2018/12/D2.1.pdf · is a toxic metabolic product excreted by the fish, into

645691 ‐ ECOFISH Project MSCA‐RISE‐2014: Marie Sklodowska‐Curie 

In case of RAIS, where zeolite  is used  for water treatment process, the concentrations of 

ammoniacal nitrogen, manganese, zinc and copper  records high  removal  rates,  in opposite with 

sodium, calcium and potassium (Rafiee et al., 2006). Thus, it should be pointed out that the use of 

zeolite  in  case  of  applying  the  substrate  aquaponic  technique,  improves  the  environmental 

conditions  for  growth  and development of plant biomass  by  facilitating  its  access  to nutrients, 

assuring therefore better water treatment performances (Rafiee et al., 2006). Gloger et al. (1995) 

assign the ammonium reduction to both plant biomass absorption process and nitrification process 

manifested at the level of plant roots surface and culture media. They reported a percentage value 

of  9%  nitrogen  retention,  from  total  amount  of  nitrogen  introduced  in  the  lettuce  RAIS,  by 

administrating  the daily  feed  ratio  (Gloger et al., 1995). Mant et al.  (2003) obtained a nitrogen 

removal rate of 57.7% by using gravel substrate aquaponic technique for growing Salix viminalis. 

Ghaly et al. (2005) obtained a 98.1% nitrite removal rate after 21 experimental days by using 

barley phytoremediation capacity, in an aquaponic system. Although nitrites have a lower toxicity 

rate, compared to ammonia, in RAIS they tend to accumulate on a long term, due to the incomplete 

oxidation of bacteria (Poxton et al., 1982; Jo et al., 2000).  

Nitrates are essential source of nutrients for plant biomass. Authors have reported values of 

nitrate  removal  rates  ranging  from  68.8  to  76.7% when  using  barley  plant  biomass,  growth  in 

aquaponic  conditions  (Clarkson  and  Lane,  1991).  Clarkson  and  Lane  (1991)  reported  an 

approximately 10 times reduction of nitrate concentration by using the NFT aquaponic technique 

for growing barley in a carp and trout aquaculture production system. 

The  hydraulic  characteristics  of  an  RAIS  significantly  affect  its  water  treatment 

performances. Therefore, an important parameter in this direction is represented by the hydraulic 

loading rate (HLR). This statement is supported by several research on this area, as follows: Lin et 

al. (2002), Lin et al. (2003) achieving notable results, reporting a nitrate removal rate of 68‐99%, 

while Lin et al. (2010) and Schulz et al. (2003) reported an increase of water nitrate levels due to 

improper values of applied HLR. 

 An  increase  of  the  aquaponic modules  inlet  flow  generates  the  occurrence  of  aerobic 

conditions, preventing therefore the denitrification processes from both root surface and growing 

media levels (Endut et al., 2009). Also, Dediu et al. (2012) obtained low values of nitrate removal 

rates by applying a flow rates value of 16L / min, compared with those obtained for 8L / min, which 

were higher. 

In case of RAIS, the nitrification process presented at aquaponic units level, lead to a reduced 

concentrations of ammonia and also, to higher nitrogen fluctuations (Dediu et al., 2012). 

Lennard and Leonard (2006) obtained the best percentage for nitrate retention rate at DWC 

(93.2%), comparing with NFT (71.8%) and substrate aquaponic technique (90.9%). It appears that 

the NFT technique  is the  least effective regarding nitrates retention rate,  fact confirmed also by 

other authors  (Wren, 1984). Wren  (1984) record a retention rate of 31%  for nitrates  in variants 

where gravel substrate, was used compared to NFT, where the percentage was 20% . 

Phosphorus 

Except nitrogen, phosphorus is the second important limitative macronutrient, in aquaponic 

systems. Phosphorous level records an upward tendency during the plants germination stage, due 

Page 29: Deliverables Establishing Environmental Impact Assessment and …ecofish-project.com/wp-content/uploads/2018/12/D2.1.pdf · is a toxic metabolic product excreted by the fish, into

645691 ‐ ECOFISH Project MSCA‐RISE‐2014: Marie Sklodowska‐Curie 

to the accumulation of organic matter induced by the presence of both dissolved and suspended 

solids  (Nelson,  2004).  Also,  Endut  et  al.  (2009)  observed  a  significant  correlation  between 

phosphorus  retention  rate  and  aquaponic modules  inlet  flow  value  (Endut  et  al.,  2009).  Both 

uneaten food and fish faeces represent major sources of phosphorus in RAIS (Endut et al., 2009). 

Ghaly et al. (2005) reported a retention rate of phosphorus between 91.8  ‐ 93.6% days by using 

barley  phytoremediation  capacity,  in  an  aquaponic  system  (Ghaly  et  al.,  2005).  A  reduction  in 

phosphorus concentration from 0.3 to 4.4 mg/L was reported by Clarkson and Lane (1991)  in an 

integrated system, using NFT aquaponic techniques. In general, most authors report a phosphorus 

removal rate in RAIS between 10 ‐ 30% (Monneta et al., 2002; Koottatep et al., 1997). 

Lennard and Leonard (2006) conducted a comparative study involving the test of all three 

main  aquaponic  techniques  (substrate,  DWC  and  NFT),  obtaining  the  best  percentage  for 

phosphorus retention rate in case of using substrate aquaponic technique (52.5%). 

 It should be noted that high concentrations of calcium in water may cause precipitation of 

phosphorus, as dicalcium phosphate (Rakocy et al. 2006).  

Dissolved Oxygen (DO) 

The  values  of  water  dissolved  oxygen  (DO)  directly  and  indirectly  affect  the  growth 

performance of plants biomass and therefore, their phytoremediation capacity, in a RAIS. Goto et 

al. (1996) observed a normal development of plant roots at a 2.5 mg/L concentration of  DO in water. 

A 1,6 mg/L concentration of DO in water has negative effects on growth and development of lettuce 

leaves  and  roots  (Yoshida  et  al.,  1997),  fact  which  conducts  to  lower  phytoremediation 

performances. 

Potassium 

Potassium is the third macronutrient, after nitrogen and phosphorus, required in order for a 

RAIS to function properly.   Seawright et al. (1998) report potassium retention rates between 70‐

75% in case of RAIS. 

Mant et al. (2003) reported a potassium retention rate of 24.9% when using gravel substrate 

aquaponic technique for growing Salix viminalis. They noted that for determining the retention rate 

of potassium, its ability to precipitate in the form of K2S must be taken into consideration (Mant et 

al., 2003). Marschner (1998) indicated that high values of potassium concentration generates high 

retention rates of this nutrient, fact which can also influence the retention rates of other nutrients, 

like magnesium and calcium.  

Rakocy et al. (1993) performed a comparative analysis of accumulation rates corresponding 

to main nutrients present in a RAIS, obtaining the following relationship: K> N> P> Ca> S>Mg. Quill 

et al. (1995) performed a comparative study regarding the need of nutrients supplementation  in 

both a hydroponic and aquaponic tomatoes systems (Douglas et al., 1985). They found an almost 

double  phosphorus  addition  rate  for  the  aquaponic  production  system,  fact  that  indicates  its 

possible precipitation (Douglas et al., 1985). 

Sodium and Iron 

Related to sodium concentration in RAIS water, it should be noted that it must not exceed 

50mg/L, a greater value can adversely affect plants potassium and calcium absorption (Douglas et 

al., 1985; Rakocy et al., 2006).  

Page 30: Deliverables Establishing Environmental Impact Assessment and …ecofish-project.com/wp-content/uploads/2018/12/D2.1.pdf · is a toxic metabolic product excreted by the fish, into

645691 ‐ ECOFISH Project MSCA‐RISE‐2014: Marie Sklodowska‐Curie 

Regarding the presence of  iron,  it must be stated that the hydrated  ferric oxide tends to 

deposit on RAIS components, fact which explains the low concentration of iron presented in water, 

at a certain moment (Seawright et al., 1998). The stability of dissolved iron in water can be increased 

by chelating with organic acids such as EDTA, DTPA or EDDHA  (Seawright et al., 1998). The  iron 

derived from the chemical composition of fish food is insufficient for satisfying the growth needs of 

plants  (Rakocy  et  al.,  2006).  Therefore,  this  situations  requires  the  supplementation  of  iron 

concentration in water by adding chelated iron, which demands the maintaining of pH below the 

value of 7 upH, limit which generates the instability of this compound (Rakocy et al., 2006) 

Copper and Manganese 

The copper concentration  in RAIS water has a downward tendency during the production 

cycle, fact which indicates its possible precipitation (Seawright et al., 1998). Seawright et al. (1998) 

reported a higher net copper concentration in the dissolved solids, compared to its total input in 

RAIS, through administrated food.  

Manganese concentration in RAIS water indicates a strong downward tendency, associated 

also with pH increase (Seawright et al., 1998). Thus, it is recommended that manganese to be used 

in its chelate forms, under the conditions of high pH values (Gerber et al., 1985). Seawright et al. 

(1998) note a random, but high consumption of manganese, under a lettuce RAIS  

Chemical oxygen demand (COD) 

In  a  RAIS,  chemical  oxygen  demand  (COD)  has  an  upward  tendency  during  the  seeds 

germination period, due to the release of enzymes and  is  in direct correlation with seeds quality 

indexes (Ghaly et. al., 2005). During plant growth period, COD concentration of RAIS water register 

a  significant decrease due  to  the development of  roots  filtration  capacity and  therefore, of  the 

capacity  to absorb  the available nutrients  (Ghaly   et al., 2005). Ghaly et al.  (2005)  reports COD 

decreasing  rates between 56‐91%, depending on  the  type of both  fish and plants  species.  Jiang 

Xinyuan (1999) recorded a COD percentage value of 44%, while Gloger et al. (1995) obtained a 54% 

in conditions of using lettuce as culture biomass. 

 

Literature review of water chemistry data 

The  multitude  of  researches  that  were  made  in  order  to  study  the  performances  of 

aquaponic  systems with  different  technical  and  technological  characteristics,  from  both water 

treatment and crops productivity aspects, have contributed to the need of centralizing the reported 

data, in order to obtain useful correlations (Table 1). 

Al‐Hafedh et. al (2008) make a comparative study  between three different ratios of fish feed: plant 

growing  area.  Therefore,  the  highest  concentration  of  phosphorus  in  water  (10.3  mg/L)  was 

recorded in case of applying the highest ratio (169 g/m2/day), while for the ratio of 113 g/m2/day 

and 56 g/m2/day, the phosphorus concentration was 4.9 mg/L, respectively 3.6 mg/L (Al‐Hafedh et. 

al, 2008).  

Page 31: Deliverables Establishing Environmental Impact Assessment and …ecofish-project.com/wp-content/uploads/2018/12/D2.1.pdf · is a toxic metabolic product excreted by the fish, into

645691 ‐ ECOFISH Project MSCA‐RISE‐2014: Marie Sklodowska‐Curie 

Table 1: A literature review of water chemistry data, registered in various aquaponic integrated systems, under different technical and technological conditions

pH

DO

T0 C

Alk

alin

ity

N-N

O2-

N-N

O3-

N-N

H3+

TA

N

Na+

Ca2+

Mg2+

K+

P-PO

4-

S-SO

4

Cl-

Fe3+

Mn2+

Cu2+

Zn2+

B3+

Mo6+

Sour

se

Fish species | Plant species: Leaf lettuce I Nile tilapia (Oreochromis niloticus) Aquaponic technique: DWC Technological conditions: 3 different fish feed to plant growing area ratios of 169, 113 and 56 g/m2/day

Al h

afel

dh e

t al.

2008

7.7 – 8.3

4 – 6.7

28 ND 0.4 – 0.9

5 – 32.4

1 - 2.1

ND ND ND ND 48 10 ND ND ND ND ND ND ND ND

Fish species | Plant species: Romaine lettuce / Nile tilapia (Oreochromis niloticus L.) Aquaponic technique: DWC Technological conditions: Two treatments under different fish densities supplied nutrients at different concentrations

Pan

tane

lla

et.a

l..20

12

ND ND ND ND ND 137 ND ND 17 180 44 106 9 ND ND ND ND ND ND ND ND

Fish species | Plant species: Basil (Ocimum basilicum ‘Genovese’) / Nile tilapia (Oreochromis niloticus L.) Aquaponic technique: DWC Technological conditions: A comparative study regarding vegetable production from aquaponics vs. field conventional production

Rak

ocy

et.a

l.,

2004

7.4 4.2 – 5.6

26.4 - 29.0

96.7 - 155

ND 42 ND 2.2 ND 12 7 45 8 ND ND 2.5 0.8 0.05 0.44 0.19 0.01

Fish species | Plant species: Water spinach (Ipomoea aquatica)/African catfish (Clarias gariepinus) Aquaponic technique: DWC Technological conditions: The evaluation of fish production performance, plant growth and nutrient removal by testing different hydraulic loading rates

End

ut e

t. al

. 20

10 5.6

- 7.3

ND 27.5 - 28.8

ND ND 20 ND ND ND ND ND ND 17 ND ND ND ND ND ND ND ND

Fish species | Plant species: Carp (Cyprinus carpio), grass carp (Ctenopharyngodon idella) and silver carp (Hypophthalmichthys molitrix) /Tomato (Solanum lycopersicum) Aquaponic technique: DWC Perlite substrate Technological conditions: Effects of foliar application of some macro and micro-nutrients

Roo

sta

et.a

l. 20

11 7 -7.7

6.1-6.3

ND 250 1.57 - 1.69

34,6 - 34.9

ND 0.33 ND 34 ND 27 8 ND ND 0.2 ND 0.04 0.37 ND ND

Page 32: Deliverables Establishing Environmental Impact Assessment and …ecofish-project.com/wp-content/uploads/2018/12/D2.1.pdf · is a toxic metabolic product excreted by the fish, into

645691 ‐ ECOFISH Project MSCA‐RISE‐2014: Marie Sklodowska‐Curie 

pH

DO

T0 C

Alk

alin

ity

N-N

O2-

N-N

O3-

N-N

H3+

TA

N

Na+

Ca2+

Mg2+

K+

P-PO

4-

S-SO

4

Cl-

Fe3+

Mn2+

Cu2+

Zn2+

B3+

Mo6+

Sour

se

Fish species | Plant species: Okra (Abelmoschus esculentus)/ Nile tilapia (Oreochromis niloticus L.) Aquaponic technique: DWC Technological conditions: An evaluation of UVI aquaponic system production capacity

Rak

ocy

et. a

l 20

04

7.1 ND ND ND 0.95 - 0.1

26 ND 1.58 14 24 6 64 15 6 12 1.3 0.06 0.03 0.34 0.09 0.01

Fish species | Plant species: Nile tilapia (Oreochromis niloticus)/ pak choy (Brassica chinensis) and (COR) coriander (Coriandrum sativum). Aquaponic technique: DWC Technological conditions: A comparative study regarding water quality between an aquaponic integrate system and a recirculating aquaculture system

Sil

va e

t al.,

201

5

ND ND ND ND 0.17 - 0.27

17.81 -15.90

ND 0.10 – 0.13

ND ND ND ND 0.04 - 0.07

ND ND ND ND ND ND ND ND

Fish species | Plant species: Nile tilapia (Oreochromis niloticus)/Tomato (Solanum lycopersicum) Aquaponic technique: DWC Technological conditions: Substrate/ Using different substrates as gravels of 1-3 mm sizes and saw dust mixed, only brick lets of 2-5 cm sizes and only gravels of 1-3 mm sizes in order to estimate their feasibility

Sal

am e

t.al.,

20

14

ND ND ND ND ND ND ND ND 29.99-80.14

ND ND 3.65-5.05

ND 0.23-5.26

ND ND ND ND ND ND ND

Fish species | Plant species: Biculture of Tilapia (Oreochromis niloticus) and crayfish (Procambarus acanthophorus)/ green corn fodder (Zea mays) Aquaponic technique: DWC Technological condition: A comparation of the production of green corn fodder (Zea mays) by using hydroponics and aquaponics techniques

Alf

redo

et a

l.,

2014

6.9– 7.6

3.7 – 5.6

25 - 30

140 0.3 – 3.3

20 - 110

ND ND ND ND ND ND 2.5 - 5

ND ND ND ND ND ND ND ND

Fish species | Plant species: Tilapia (Oreochromis niloticus) / Tomato (Solanum lycopersicum) Aquaponic technique: Substrate Technological condition: Testing a new concept of aquaponic system in order to improve sustainability and productivity concomitant with lowering environmental emissions K

loas

et

al. ,

Page 33: Deliverables Establishing Environmental Impact Assessment and …ecofish-project.com/wp-content/uploads/2018/12/D2.1.pdf · is a toxic metabolic product excreted by the fish, into

645691 ‐ ECOFISH Project MSCA‐RISE‐2014: Marie Sklodowska‐Curie 

pH

DO

T0 C

Alk

alin

ity

N-N

O2-

N-N

O3-

N-N

H3+

TA

N

Na+

Ca2+

Mg2+

K+

P-PO

4-

S-SO

4

Cl-

Fe3+

Mn2+

Cu2+

Zn2+

B3+

Mo6+

Sour

se

5.4 - 7.7

ND 23 - 25

ND 0.09 – 0.78

86 - 168

ND ND 36 - 98

142 - 311

10 -60.8

32.6 - 129

3.2 - 16

99 - 238

41 - 116

0 - 0.46

ND 0 - 2.11

ND ND 0 - 0.52

Fish species | Plant species: Goldfish, (Carassius auratus)/ spinach (Spinaceaoleracea) Aquaponic technique: NFT Technological condition: Testing varied water circulation periods (4, 8, 12, and 24 hrs/day)

She

te e

t al.,

20

13 7.4

- 7.6

5.2 - 5.4

27.1 - 27.8

55.8 - 81.8

0.02 - 0.04

0.23 - 0.28

0.2 - 0.5

ND ND ND ND ND ND ND ND ND ND ND ND ND ND

Fish species | Plant species: Common carp (Cyprinuscarpio), grass carp (Ctenopharyngodon idella), and silver carp (Hypophthalmichthysmolitrix)/ Tomato (Solanum lycopersicum) Aquaponic technique: Perlite substrate Technological condition: The evaluation of the effect of foliar application of some macro and micro-nutrients on plants mineral content

Roo

sta

et a

l.,

2013

7.7 6.1 22.7 ND 1.69 34.6 ND ND ND 34.2 ND 26.7 7.9 ND ND 0.21 ND 0.04 0.37 ND ND

Fish species | Plant species: Atlantic salmon (Salmo salar)/Frillice lettuce (Lactuca sativa var.crispa) Aquaponic technique: NFT Technological condition: Using of unfiltered and filtered technological waste water in aquaponics

Gje

stel

and,

20

13

6.7 - 7.6

ND 17.5 - 17.9

ND ND 1.6-5.6

ND ND 283.6 - 377.7

57.6 - 78.0

38.8 - 50.7

5.56 - 18.6

0,43 - 2.03

0.33 - 0.45

ND 0.014 - 0.04

0.003 -0.022

0.002 -0.144

0.008 -0.012

0.141 - 0.18

0.0021 -0.0138

Fish species | Plant species: African catfish (Clarius gariepinus) / water spinach (Ipomoea aquatica) Aquaponic technique: Gravel substrate Technological condition: Evaluating the effect of flow rate on water quality parameters and plant growth (hidraulic loading rate 0.64; 1.28; 1.92; 2.56; 3.20 L/min)

End

uta

et. a

l. 20

09

7.3 - 7.6

4.1 - 6.7

27.3 -28.7

ND 0.06 - 0.56

6.6 - 18.9

ND

2.34 -10.84

ND ND ND ND 7.5 - 15.9

ND ND ND ND ND ND ND ND

Page 34: Deliverables Establishing Environmental Impact Assessment and …ecofish-project.com/wp-content/uploads/2018/12/D2.1.pdf · is a toxic metabolic product excreted by the fish, into

645691 ‐ ECOFISH Project MSCA‐RISE‐2014: Marie Sklodowska‐Curie 

pH

DO

T0 C

Alk

alin

ity

N-N

O2-

N-N

O3-

N-N

H3+

TA

N

Na+

Ca2+

Mg2+

K+

P-PO

4-

S-SO

4

Cl-

Fe3+

Mn2+

Cu2+

Zn2+

B3+

Mo6+

Sour

se

Fish species | Plant species: Murray cod (Maccullochella peelii peelii)/ Green oak lettuce (Lactuca sativa) Aquaponic technique: Gravel substrate Technological condition: A comparative study between reciprocating flow vs constant flow

Len

nard

et a

l.,

2004

6.8 - 6.9

7.2 - 7.4

21.9 - 22

ND ND 2.6 - 6.3

ND ND ND ND ND ND 0.69 - 0.72

ND ND ND ND ND ND ND ND

Fish species | Plant species: Murray cod (Maccullochella peelii peelii)/ Green oak lettuce (Lactuca sativa) Aquaponic technique: Gravel substrate, DWC, NFT Technological condition: A comparative study between three different hydroponic sub-systems (gravel bed, floating and nutrient film technique)

Len

nard

et a

l., 2

006

6.7 - 7

7.2 - 7.9

22 ND ND 0.59 - 3.55

ND ND ND ND ND ND 0.61 - 0,7

ND ND ND ND ND ND ND ND

Fish species | Plant species: Hybrid catfish (Clarias macrocephalus×C. gariepinus)/ lettuce (Lactuca sativa L) Aquaponic technique: Gravel substrate amd sand substrate Technological condition: A comparative study between two different aquaponic substrates, by using both unfilteres and filtered pond water

Sik

awa

et a

l., 2

010

7,1 - 7,4

0.4 - 1.1

28,9 - 30.9

99 - 469

0.01 - 0.17

1.54 - 4.02

ND 2,22 - 2.67

ND 5.05 - 5.3

0.64 - 0.67

10.1 -13.1

0.38 -. 056

ND ND 0.15 - 0.43

0.01 - 0.02

0.02 - 0.03

0.04 - 0.06

ND ND

Fish species | Plant species: Bester sturgeon hybrid beluga (Huso huso) X sterlet (Acipenser ruthenus)/Lettuce (Lactuca sativa L) Aquaponic technique: DWC Technological condition: A comparative study between water chemistry of RAS vs integrated aquaponic system

Ded

iu e

t. al

20

11 7.1

- 8

6.1 - 9

18.3 ND 0.002 17.92

ND 0.4 ND ND ND ND ND ND ND ND ND ND ND ND ND

Page 35: Deliverables Establishing Environmental Impact Assessment and …ecofish-project.com/wp-content/uploads/2018/12/D2.1.pdf · is a toxic metabolic product excreted by the fish, into

645691 ‐ ECOFISH Project MSCA‐RISE‐2014: Marie Sklodowska‐Curie 

pH

DO

T0 C

Alk

alin

ity

N-N

O2-

N-N

O3-

N-N

H3+

TA

N

Na+

Ca2+

Mg2+

K+

P-PO

4-

S-SO

4

Cl-

Fe3+

Mn2+

Cu2+

Zn2+

B3+

Mo6+

Sour

se

Fish species | Plant species: Bester sturgeon hybrid beluga (Huso huso) X sterlet (Acipenser ruthenus)/ lettuce (Lactuca sativa L) Aquaponic technique: DWC Technological condition: A evaluation of waste production in an integrated aquaponic system

Ded

iu e

t.al.,

201

1

7.6 - 7.3

6.3 - 6.4

ND ND ND

32.52 -34.52

ND 0.39 - 0.43

ND ND ND ND ND ND ND ND ND ND ND ND ND

Fish species | Plant species: Tilapia/Aubergines and Perch, Tomatoes, Cucumbers Aquaponic technique: Light-expanded clay aggregate (LECA) Technological condition: A evaluation of waste production in an integrated aquaponic system

Gra

ber

et. a

l., 2

009 6.8

- 7.8 7 - 7.4

2.6 - 4.8 6.7 - 7.5

ND ND

0.08 - 0.57 0.01 - 0.18

1.9 – 42 12.1 - 95

ND ND ND ND ND ND ND ND ND ND ND ND ND ND ND

Fish species | Plant species: Red Tilapia (Oreochromis sp.) and Lettuce (Lactuca sativa var. longifolia Aquaponic technique Zeolite substrate Technological condition a evaluation of water chemistry in an integrated aquaponic system

Raf

iee

et

al. ,

2006

6.3 ND ND ND ND ND ND 2.87 ND 27.0 3.7 5.78 8.3 ND ND ND 0.04 ND 0.05 ND ND

Fish species | Plant species: Tilapia (Oreochromis niloticus), strawberry Aquaponic technique: NFT Technological condition: A evaluation of water chemistry in an integrated aquaponic system, by using two fish stocking densities

Vil

larr

oe e

t. al

.201

1 6.1 - 7.2

22 21.7 - 21.9

ND 0.12 - 2.06

32.63-44.57

ND ND 64.6 - 96.9

21.6 - 36.3

3.89 - 6.11

9.52 – 15.9

ND 9.73 - 11.2

23.8 -34.4

ND ND ND ND ND ND

Page 36: Deliverables Establishing Environmental Impact Assessment and …ecofish-project.com/wp-content/uploads/2018/12/D2.1.pdf · is a toxic metabolic product excreted by the fish, into

645691 ‐ ECOFISH Project MSCA‐RISE‐2014: Marie Sklodowska‐Curie 

pH

DO

T0 C

Alk

alin

ity

N-N

O2-

N-N

O3-

N-N

H3+

TA

N

Na+

Ca2+

Mg2+

K+

P-PO

4-

S-SO

4

Cl-

Fe3+

Mn2+

Cu2+

Zn2+

B3+

Mo6+

Sour

se

Fish species | Plant species: Stellate Sturgeon (Acipenser stellatus), Spinach–Matador variety Aquaponic technique: LECA substrate Technological condition: The evaluation of water chemistry and vegetable production in an integrate aquaponic system, where 3 crops culture densities were applied

Pet

rea

et.a

l. 20

14

7.7 7.3 19.4 52.9 0.18 39.74

ND ND ND 102 30.4 28.2 2.7 ND 26.4 0.65 0.54 ND ND ND ND

Fish species | Plant species: Rainbow trout (Oncorhynchus mykiss), Nores variety spinach (Spinacia oleracea Aquaponic technique: DWC Technological condition The evaluation of water chemistry and vegetable production in an integrate aquaponic system, where 3 crops culture densities were applied

Pet

rea

et.a

l. 20

13

6.9 7.5 16.8 200 0.05 21.52

ND ND ND 90.4 30 9.42 1.2 ND 27.7 0.37 0.48 ND ND ND ND

 

Page 37: Deliverables Establishing Environmental Impact Assessment and …ecofish-project.com/wp-content/uploads/2018/12/D2.1.pdf · is a toxic metabolic product excreted by the fish, into

645691 ‐ ECOFISH Project MSCA‐RISE‐2014: Marie Sklodowska‐Curie 

In the same study, similar results were recorded for potassium concentration in water, which 

varied from 47.5 mg/L to 31.4 mg/L and 19 mg/L, by applying the feeding regimes of 169 g/m2/day, 

113 g/m2/day and 56 g/m2/day (Al‐Hafedh et. al, 2008). 

By analyzing the obtained results, Al‐Hafedh et. al, (2008) concluded that there  is a direct 

correlation between phosphorus and potassium concentration in water and the ratio of fish feed: 

plant growing area.  

Endut et. al  (2010)  tested  the use of different hydraulic  loading  rates  (HLR)  for an water 

spinach african catfish aquaponic system.  

The concentration of nitrogen nitrite varied from 0.19 mg/L to 0.14 mg/L, 0.11 mg/L, 0.09 

mg/L, 0.06 mg/L for HLR of 0.64 m/day, 1.28 m/day, 1.92 m/day, 2.56 m/day and 3.2 m/day (Endut 

et. al, 2010). In case of nitrogen nitrate, the highest concentration (9.7 mg/L) was recorded for a 

HLR of 3.2 m/day, while the lowest value (5.4 mg/L) was registered for a HLR of 1.28 m/day (Endut 

et. al, 2010). Phosphorus had the same evolution  like nitrogen nitrate by registering the highest 

value (7.9 mg/L) in case of HLR – 3.2 m/day and the lowest value (6.3 mg/L), for a HLR of 1.28 m/day 

(Endut et. al, 2010). Therefore, Endut et. al  (2010) proved that   the changes  in concentration of 

different  nutrients  in  aquaponic  systems,  differ  because  of  the  disparity  between  the  relative 

proportions  of  available  nutrients  generated  by  fish  and  nutrients  uptake  by  plants.  Also,  he 

mentioned that, the HLR is an important parameter for determining the phytoremediation capacity 

of an RAIS (Endut et. al, 2010). 

In  another  study  Endut  et.  al.  (2009)  evaluated  the  effect  of  flow  rate  on  plants 

phytoremediation capacity in a RAIS. Therefore he recorded the highest phosphorus removal rate 

(50%) for a 0.8 L/min flow rate (Endut et. al, 2009). A flow rate of 1.6 L/min generated the highest 

nitrogen nitrate  removal  rate  (64.9%), while at 4  L/min  is  recorded  the highest nitrogen nitrite 

removal rate (89.5%) and TAN removal rate – 78.3% (Endut et. al, 2009). 

Silva et. al  (2015) demonstrated  that an RAIS of Nile  tilapia – pak choy had better water 

treatment performance, compared with a similar system of Nile tilapia – coriander. Therefore, the 

study concluded that pak choy phytoremediation capacity by using dynamic root floating technique 

could allow the reduction of investment costs in an RAIS (Silva et. al, 2015). 

Shete et. al (2013) experimented various water circulation periods (4, 8, 12 and 24 hrs/day) 

in  an  goldfish –  spinach  aquaponic  system, by using nutrient  film  technique  (NFT).  The highest 

nitrogen nitrate concentration in water (0.28 mg/L) was recorded for the experimental variants with 

12 and 24 hrs/day water circulation (Shete et. al, 2013).  In case of nitrogen nitrite and ammonia 

concentration  in water, the highest concentration (0.3 mg/L for ammonia and 0.04 mg/L N‐NO2) 

were recorded for the experimental variants where a 4 hrs/day water circulation period was applied 

(Shete et. al, 2013). The study showed that the water circulation period has a direct effect on water 

quality parameters in a RAIS (Shete et. al, 2013). 

Lennard and Leonard (2004) make a comparative study between two hydraulic regimes, as 

follows:  constant  flow  and  reciprocating  flow  (ebb  and  flow).  The  nitrate  and  phosphate 

concentrations in water, in case of constant flow (11.8 mg/L – nitrate and 3.87 mg/L – phosphate), 

are  lower  than  in  reciprocating  flow  (13.3 mg/L – nitrate and 4.04 mg/L – phosphate),  fact  that 

Page 38: Deliverables Establishing Environmental Impact Assessment and …ecofish-project.com/wp-content/uploads/2018/12/D2.1.pdf · is a toxic metabolic product excreted by the fish, into

645691 ‐ ECOFISH Project MSCA‐RISE‐2014: Marie Sklodowska‐Curie 

shows a better plant phytoremediation capacity at constant  flow hydraulic regime  (Lennard and 

Leonard, 2004). 

In a bester sturgeon hybrid – lettuce RAIS, Dediu et. al (2012) registered higher values for 

retained  nitrogen (1.13 g/m2/day), in case of using a low flow rate, corresponding to a hydraulic 

retention time (HRT) of 5.4 min,   compared with a high flow rate (HRT=2.7 min), where retained 

nitrogen value was 1.05 g/m2/day.  

Petrea et. al (2013B) tested three plants densities a (59, 48, 39 plants/m2) in a rainbow trout 

– spinach RAIS. He  registered TAN  removal  rate of 1.24 mg/L/day  for  the highest plants culture 

density,  followed  by  1.09  mg/L/day  and  0.71  mg/L/day  for  the  variant  with  48  plants/m2, 

respectively 39 plants/m2 (Petrea et. al, 2013B). The nitrate removal rate, registered a value of 16.4 

mg/L/day, 12.5 mg/L/day and 8.23 mg/L/day for the variants with 59, 48, 39 plants/m2 (Petrea et. 

al, 2013‐B). As a conclusion, Petrea et. al (2013‐B) mentioned that the phytoremediation capacity 

on a aquaponic module is in a direct correlation with plants culture density. In the same experiment, 

Petrea et. al (2014‐D) registered the highest phosphorus and calcium removal rates (3.83 mg/day – 

phosphorus and 3.9 mg/day – calcium) in the experimental variant with 59 plants/m2, while for the 

other two variants (48 and 39 plants/m2), the phosphorus and calcium removal rates were  lower 

(3.04 mg/day – phosphorus and 2.69 mg/day – calcium, respectively 2.18 mg/day – phosphorus and 

1.95 mg/day – calcium). 

Petrea et. al (2014C) tested three plants density (59, 48, 39 plants/m2) in a stellate sturgeon 

– spinach RAIS, by using light expanded clay aggregate (LECA) aquaponic technique (Petrea et. al, 

2014C). He  registered TAN  removal  rate of 0.3 g/m2/day  for  the highest plants  culture density, 

followed by 0.37 g/m2/day and 0.31 g/m2/day  for the variant with 48 plants/m2, respectively 39 

plants/m2  (Petrea  et.  al,  2014C).  The  nitrogen  nitrate  removal  rate,  registered  a  value  of  13.4 

g/m2/day, 11.97 g/m2/day and 11.49 g/m2/day for the variants with 59, 48, 39 plants/m2 (Petrea et. 

al, 2014C).  

 

CONCLUSIONS 

Although aquaculture has proved  its contribution  in food security and poverty alleviation, 

the global aquatic environment pollution due to the waste released has also attracted considerable 

public concerns. In this scenario, IMTA is proposed as one of the bio‐mitigation options to avoid or 

alleviate the negative change caused by aquaculture waste. However, effective implementation of 

IMTA requires a more elaborate consideration of its design (Zhang, et al. 2015b).  

  Mussel growth has been calculated in a variety of ways such as measuring changes in size 

distribution of a common population (Bayne & Worrall 1980, Kautsky 1982, Page & Hubbard 1987, 

Stirling & Okumusx 1995, Cheshuk et al. 2003) or, alternatively, by measuring individually marked 

or caged individuals (Kautsky 1982, Page & Hubbard, 1987, Dolmer 1998). Successive measurements 

of marked  or  caged mussels  can  provide  valuable  records  of  the  effect  of  size,  season,  and 

environmental condition on growth (Page & Hubbard 1987). 

Although  growth  in M.  edulis  has  been  attributed  to  a  variety  of  factors,  including  site 

characteristics and season  (Mallet & Carver 1989, Mallet & Carver 1993), genetics  (Mallet et al. 

Page 39: Deliverables Establishing Environmental Impact Assessment and …ecofish-project.com/wp-content/uploads/2018/12/D2.1.pdf · is a toxic metabolic product excreted by the fish, into

645691 ‐ ECOFISH Project MSCA‐RISE‐2014: Marie Sklodowska‐Curie 

1986), water temperature (Page & Hubbard 1987), depth (Rodhouse et al. 1984), salinity (Kautsky 

1982,  Kautsky  et  al.  1990,  Westerbom  et  al.  2002),  density  (Seed  1968,  Kautsky  1982),  and 

chlorophyll concentration (Page & Hubbard 1987, Page & Ricard 1990, Thorarindo¨ ttir 1996), it is 

indeed  the  quantity  and  quality  of  the  food  supply  that  has  been  cited  on  several  occasions 

(Fre´chette & Bourget 1987, Seed & Suchanek 1992, Øie et al. 2002) to be the single most important 

factor in determining growth in this species. 

There may be examples when additional particulates released from salmon farms may not 

result in enhanced growth of mussels. This could occur in environments that already have high levels 

of  natural  seston  or where  supplemented  concentrations  from  the  farms  exceed  levels where 

pseudofeces production will begin  in mussels.  In a comparable study  in Tasmania, no enhanced 

growth was found in the Tasmanian blue mussel (Mytilus planulatus) at a single salmon aquaculture 

site during a 14‐mo period as a result of a combination of factors,  including high ambient seston 

concentrations that were consistently above the pseudofeces threshold, thereby limiting ingestion 

of  fish  farm  generated  particles  from  ‘‘ingestive  competition’’  between  waste  and  natural 

particulate matter  (Cheshuk et al. 2003).  In a Chilean study Troell and Norberg  (1998)  recorded 

pulses  of  organic  matter  that  increased  suspended  solid  concentrations  3‐  to  30‐fold.  They 

concluded that ambient levels of seston already exceeded pseudofeces production levels, and these 

short‐term pulses would not  influence mussel growth  in  this situation. Combined bivalve–finfish 

culture may, therefore, be best suited in coastal systems with low ambient seston concentrations. 

Based on the diversity of studies designed to evaluate bivalve growth  in several different 

species  around  finfish  farms  in  a  great  variety  of  different  environments  and  oceanographic 

conditions, it is not surprising that inconsistencies in growth rates have been observed. Cheshuk et 

al. (2003) cited location of the experimental mussels in relation to the salmon site as a factor limiting 

mussel growth in Tasmania. In their study, mussels were located between 70 m and 100 m from the 

salmon, which was likely outside the zone of salmon‐produced particulate food sources. Navarrete‐

Mier et al. (2010) did not observe significant growth during a 3‐mo period in oysters or mussels held 

between 0mand 1,800mfrom the  fish  farms. Others have recognized the  importance of shellfish 

placement and have  found  significant growth  rates of bivalve  species  in  the proximity of  finfish 

farms, but  there has not necessarily been a consistent  trend of  reduced growth with  increasing 

distance from the farm (Perharda et al. 2007, Sara´ et al. 2009, Handa et al. in press). 

Although studies have estimated organic enrichment up to 500 m from salmon cages (Brzeski 

&  Newkirk  1997),  most  studies  measuring  horizontal  displacement  suggest  that  99%  of  all 

particulates settle within 50–60 m of fish cages (Gowen & Bradbury 1987, Coyne et al. 1994). 

In summary, mussels grown adjacent to salmon cages had faster shell growth than mussels 

held 200m or 500 m away from the cages and those held at reference locations outside the direct 

influence of salmon farms. Mussels held at salmon cages continued to grow in the winter months 

and maintained a greater meat weight and CI than mussels held 200 m away or at a reference site. 

Establishing the relationships between distance from the cages and mussel growth rates will have 

implications for mussel growers with respect to a reduction in time to harvest, and a faster turnover 

time per crop compared with customary mussel culture techniques. The current commercial salmon 

aquaculture infrastructure can be adapted to fit mussel raft culture as existing ropes and mooring 

Page 40: Deliverables Establishing Environmental Impact Assessment and …ecofish-project.com/wp-content/uploads/2018/12/D2.1.pdf · is a toxic metabolic product excreted by the fish, into

645691 ‐ ECOFISH Project MSCA‐RISE‐2014: Marie Sklodowska‐Curie 

systems can be used, decreasing the  initial startup  investment. The fact that mussels experience 

growth during winter periods at salmon sites in the Bay of Fundy further validates this approach to 

establish  integrated mussel–salmon aquaculture because mussels can be harvested well  into  late 

fall and (at least) early winter (Lander et al. 2012). 

Although  this study represents a positive  first step,  the  implementation of  IMTA systems 

requires extensive experimentation into the varied intra‐ and interspecies interactions, and intersite 

differences, as well as processes governing  the co‐culture of multiple  trophic  levels  to maximize 

nutrient use, total product yield, and bioremediative potential of the overall system (Lander et al. 

2012). 

The primary motivation to develop the IMTA model was to provide a quantitative tool for 

the  development  and  management  of  IMTA  practices  through  mapping  energetic  pathways 

between trophic groups and their environment. Application can assist designing IMTA practices to 

maximize resource utilization and minimize environmental impacts (Ren et al. 2012).  

This  revision  of  literature  helped  to  identify  several  limiting  factors  regarding  water 

treatment capacity of various aquaponic systems. Therefore, there were identified both technical 

and technological factors, that directly influence the phyto and bioremediation capacity of a certain 

aquaponic integrated system. 

Among the technological factors, the most commonly encountered were the ratios between 

fish stocking density: plants culture density and fish feed: plant growing area. Also, the biochemical 

composition of administrated fish diets and therefore, the water nutrient load level are important 

factors  that  directly  influence  the  phyto  and  bioremediation  capacity  of  aquaponic  integrated 

systems. 

The  technical  factors  are  firstly  represented by  the  type of  aquaponic  technique  that  is 

applied (DWC, NFT or culture substrate). In case of culture substrate technique, significant water 

treatment differences were registered when using different types of substrates (gravel, LECA, sand 

or  zeolite),  or  by  using  different  hydraulic  regimes  (continuous  flow  or  flood  and  drain).  The 

aquaponic module  inlet flow, characterized by both hydraulic retention time (HRT) and hydraulic 

loading rate  (HLR) was demonstrated as having a significant effect on phyto and bioremediation 

capacity of aquaponic integrated systems. 

Beside  both  technical  and  technological  factors mentioned  above,  the management  of 

production  has  a  key  role  on  assuring  a  constant  water  nutrient  load  throughout  the  entire 

production cycle. Thus, the literature recommends a conveyor production system management in 

order to obtain a higher percentage of nutrient recovery at plants biomass  level and also, better 

water treatment performances. 

The present  literature overview had demonstrated that  in order to use a RAIS phyto and 

bioremediation capacity at its maximum potential, different technical, technological and production 

management factors must be taken into consideration.  

In  the  future,  it  is  recommended  that  research  should  be made  in  order  to  study  the 

correlation  between  microbiological  activity  at  aquaponic  modules  level  and  phyto  and 

bioremediation capacity of RAIS 

Page 41: Deliverables Establishing Environmental Impact Assessment and …ecofish-project.com/wp-content/uploads/2018/12/D2.1.pdf · is a toxic metabolic product excreted by the fish, into

645691 ‐ ECOFISH Project MSCA‐RISE‐2014: Marie Sklodowska‐Curie 

The feasibility of a modelling approach for general management in the aquaculture industry 

hinges on the flexibility of a model for various species and portability between farming systems. 

Because the IMTA concept is very flexible, it can be applied to open water, land‐based, marine and 

freshwater systems (Chopin et al., 2008) and therefore the choice of secondary organisms should 

be based on their commercial value as well as bio mitigation potential in the local farm environment. 

Practically, culture  feasibility, economic value and  social potential are primary consideration  for 

both principal and secondary species (see Chopin et al., 2008). Up to date, there have been different 

mixed‐species aquaculture systems in study and in operation worldwide (Barrington et al., 2009). 

Through the lack of predictive modelling tools, both experimental and commercial‐scale operations 

have been dependent on field trials and results remains semi‐quantitative (see Neori et al., 2004; 

Chopin et al., 2008).  Some effort has been made  to model  salmonid  solid and  soluble nutrient 

loading for co‐culture trials of seaweeds and mussels in salmon farms (Angel and Freeman, 2009). 

The  authors have  recognized  the need  to develop  flexible models  that  can  simulate  co‐culture 

interactions and  the effects of  IMTA  systems on water quality  inside and around  the  farm. We 

believe that the present model accommodates this flexibility. The development of energetic sub‐

models  that  are  specific  to  a  trophic  group  is  based  on  DEB  theory  that  species  share  the 

commonality in physiology and hence follow the same energetic pathways across species (Kooijman, 

2000). In addition, the temperature effect on the rate processes of all biological groups follows a 

single  Arrhenius  relationship.  The  model  is  transferable  to  other  IMTA  systems  with  species 

combination  of  finfish–shellfish‐detritivore‐primary  producer  for  optimizing  yields  and  reducing 

farm‐derived wastes. Adjustments lie in the parameterization for local environmental processes and 

hydrodynamic properties (Ren et al. 2012).  

The capability of the model has been examined through IMTA scenario simulations for both 

fish and mussel farms where crop species of different cohorts were all seeded at the same time. 

Although this assumption was somewhat arbitrary, the model outputs have helped us understand 

system  behaviours  of  the  IMTA  scenarios.  Generally,  the  model  could  generate  reasonable 

outcomes on the required biomass of each trophic level for the prescribed IMTA system. The model 

outcomes  have  shown  that  IMTA  practices would  considerably  reduce  environmental  impacts. 

Simulations  have  also  illustrated  some  of  the  difficulties  in  optimizing  production  and 

bioremediation on an IMTA farm. One of the important features is that the consumption rate of sea 

cucumbers mismatched the mussel bio deposition rate during the simulation period, particularly 

during  the  first  few months  of  the  simulation.  The  bio  deposition  rate  showed  clear  seasonal 

variation, while the sea cucumber consumption generally showed an  increasing trend (Ren et al. 

2012).  This mismatch  resulted  from  the  difference  in  physiological  characteristics: mussel  bio 

deposition rate depends on food supplies and temperature (e.g. Hawkins et al., 1999), while the 

consumption of sea cucumber is largely affected by temperature (e.g. Yang et al., 2005). Although 

the biomass of sea cucumbers could be increased to match mussel bio deposition rate initially, this 

would cause less food availability and starvation during some periods, particularly in winter months 

when bio deposition rate is low. This disagreement between consumption and bio deposition would 

cause low reduction efficiency where a large fraction of the bio deposition remains in the system. 

The  optimization  between  consumption  and  bio  deposition  rates  could  be  achieved  through 

Page 42: Deliverables Establishing Environmental Impact Assessment and …ecofish-project.com/wp-content/uploads/2018/12/D2.1.pdf · is a toxic metabolic product excreted by the fish, into

645691 ‐ ECOFISH Project MSCA‐RISE‐2014: Marie Sklodowska‐Curie 

manipulations of stocking density, seeding time and harvesting frequencies, but any proposals for 

culture operations  should be economically practicable and  cost‐effective. Therefore, acceptable 

levels of reduction efficiency would account for feasibility and profitability of culture operations. 

For  the  salmon  farm,  however,  the  bio  deposition  rate  matched  reasonably  well  with  the 

consumption rate of sea cucumbers, reflecting little variation of reduction efficiency. This result is 

very  promising  for  the  development  of  fish‐based  IMTA  practices,  as  it  is  feasible  to  achieve 

acceptable  levels of consumption rate and reduction efficiency without additional costs resulting 

from multiple stocking density and harvesting operations. Because  finfish aquaculture can cause 

much higher environmental impacts than shellfish farming (see Hatcher et al., 1994; Buschmann et 

al., 2006), the co‐culture of sea cucumbers would have promising mitigation potential. 

Development of the novel IMTA model is not without difficulties and shortcomings. Some 

knowledge  gaps  have  been  detected,  one  of which  is  the  lack  of  comprehensive  physiological 

information for potential co‐culture species in New Zealand. Although this would have contributed 

some uncertainties in the parameterization of the DEB sub‐models, model simulations may not have 

been greatly compromised. The variation of parameter values may not be considerable between 

related  functional  species  and  hence  borrowing  parameter  values  is  common  in  bioenergetics 

modelling  studies.  For  example,  a  model  for  sockeye  salmon  could  successfully  predict  the 

behaviour of Coho  salmon and Chinook  salmon  (e.g. Stewart and  Ibarra, 1991). Similarly, other 

studies have shown that rainbow trout metabolism was an adequate substitute for chinook salmon 

metabolism  (Madenjian  et  al.,  2004).  In  addition,  some  limited  information  indicates  that 

physiological rates of sea cucumber (A. mollis) are similar to those of S. japonicus and the rates of 

seaweed (E. radiata) are close to the parameter values used in the model (NIWA unpublished data). 

Nonetheless,  the model  has  contributed  to  understanding  the  dynamics  of  IMTA  systems  and 

provided a quantitative tool for designing and managing IMTA practices (Ren et al. 2012).  

The advantages of  integrated multi‐trophic aquaculture are multiple and  it relates to the 

transformation of the by‐products, the flexibility of the concept, environmental sustainability and 

economic efficiency.   

The wastes from one species become into inputs (fertilizers, food and energy) for another 

(Barrington  et  al.,  2009).  IMTA  systems  can  be  land‐based  or  open‐water  systems, marine  or 

freshwater systems, and may comprise several species combinations (Barrington et al., 2009). IMTA 

may create a balanced system for environmental sustainability of earthen ponds while increasing 

their profitability and social acceptability (Cunha et al., 2011). 

IMTA  is  the  only  practical  remediation  approach  with  a  prospect  for  additional  farm 

revenues by adding  commercial  crops, while all other bio‐mitigation approaches have generally 

involved only additional costs to the producer (Granada et al., 2015). 

In  conclusion,  the development of  IMTA practices,  the balanced ecosystem  approach,  is 

bound to play a major role worldwide  in sustainable expansions of aquaculture (Soto, 2009). An 

IMTA  ecosystem model  is  a  useful  tool  for  gauging  optimal  stocking  scenarios  based  on  the 

predicted  amounts  of  farm‐derived  wastes.  The model  structure  is  flexible  for  application  to 

different  IMTA  operations.  Further  improvement  of  the model  would  rely  on  comprehensive 

physiological  information  of  trophic  species  collected  from  specially  designed  experiments  that 

Page 43: Deliverables Establishing Environmental Impact Assessment and …ecofish-project.com/wp-content/uploads/2018/12/D2.1.pdf · is a toxic metabolic product excreted by the fish, into

645691 ‐ ECOFISH Project MSCA‐RISE‐2014: Marie Sklodowska‐Curie 

provide data suitable for modelling requirements. The predictive accuracy of the model presented 

here will be enhanced with feedback from monitored commercial IMTA farms that are likely to grow 

in number as pressure  for space  increases and environmental accountable becomes more acute 

across the world (Ren et al. 2012). 

References 

1. Abreu MH, Varela DA, Henríquez L, Villarroel A, Yarish C, Sousa‐Pinto I, Buschmann AH (2009) 

Traditional  vs.  integrated  multi‐trophic  aquaculture  of  Gracilaria  chilensis  C.J.  Bird,  J. 

McLachlan  &  E.C.  Oliveira:  productivity  and  physiological  performance.  Aquaculture 

293:211–220 

2. Adler, P., R., Summerfelt, S., T., Glenn, D., M., and Takeda, F., 2003. Mechanistic approach 

to phytoremediation of water. Ecol. Eng., 20, 251–264. 

3. Al‐Hafedh, Y.S.; Alam, A.; Beltagi, M.S., 2008. Food Production and Water Conservation in a 

Recirculating Aquaponic System in Saudi Arabia at Different Ratios of Fish Feed to Plants. J. 

World Aquac. Soc., 39, 510–520 

4. Aquaponics Research Project The  relevance of aquaponics  to  the New     aid programme, 

particularly in the Pacific Commissioned Report,  2013,  Hambrey Consulting ‐ New Zealand 

Aid Programme Ministry of Foreign Affairs and Trade ‐ December Pages 1‐96.  

5. Bacher,  C.,  Duarte,  P.,  Ferreira,  J.G.,  Héral,  M.,  Raillard,  O.,  1998.  Assessment  and 

comparison  of Marennes‐Oléron  Bay  (France)  and  Carlingford  Lough  (Ireland)  carrying 

capacity with ecosystem models. Aquatic Ecology 31, 379–394. 

6. Barrington, K., Chopin, T., Robinson, S., 2009. Integrated multi‐trophic aquaculture (IMTA) 

in marine temperate waters. In: Soto, D. (Ed.), Integrated Mariculture: A Global Review. FAO 

Fisheries and Aquaculture Technical Paper 529, Rome, pp. 7–46. 

7. Bayne, B. L. & C. M. Worrall. 1980. Growth and production of mussels Mytilus edulis from 

two populations. Mar. Ecol. Prog.Ser. 3:317–328. 

8. Beveridge, M. C. M. 1984. Cage aquaculture. Fishing News Books. Oxford: Blackwell Science. 

310 pp. 

9. Beveridge, M. C. M.,  L. G. Ross &  L. A. Kelly. 1994. Aquaculture and biodiversity. Ambio 

23:497–502. 

10. Beveridge, M.  C. M., M.  J.  Phillips &  R. M.  Clarke.  1991.  A  quantitative  and  qualitative 

assessment  of wastes  from  aquatic  animal  production.  In: D.E.  Brune &  J.  R.  Tomasso, 

editors. Aquaculture and water quality: advances in world aquaculture, vol. 3. Baton Rouge, 

LA: The World Aquaculture Society. pp. 506–533 

11. Bouzoun, J.R., Diener, C.J. and Butler, P.L., 1982. Pilot‐scale evaluation of the nutrient film 

technique  for  wastewater  treatment.  US  Army  Corps  of  Engineers,  Hanover,  New 

Hampshire,  

12. Braaten, B., J. Aure, A. Ervik & E. Boge. 1983. Pollution problems in Norwegian fish farming. 

ICES CM 1983/F: 26. 

13. Brzeski, V. & G. Newkirk. 1997.  Integrated  coastal  food production  systems: a  review of 

current literature. Ocean Coast. Manage. 34: 55–71. 

14. Buschmann AH, Varela DA, Hernández‐González MC, Huovinen P (2008) Opportunities and 

challenges  for  the  development  of  an  integrated  seaweed‐based  aquaculture  activity  in 

Page 44: Deliverables Establishing Environmental Impact Assessment and …ecofish-project.com/wp-content/uploads/2018/12/D2.1.pdf · is a toxic metabolic product excreted by the fish, into

645691 ‐ ECOFISH Project MSCA‐RISE‐2014: Marie Sklodowska‐Curie 

Chile: determining the physiological capabilities of Macrocystis and Gracilaria as biofilters. J 

Appl Phycol 20:571–577 

15. Buschmann, A. H., M. Troell, N. Kautsky & L. Kautsky. 1996b. Integrated tank cultivation of 

salmonids and Gracilaria chilensis  (Gracilariales, Rhodophyta). Hydrobiologia 326/327:75–

82. 

16. Buschmann, A. H., O. A. Mora, P. Go´ mez, S. Bo¨ ttger, C. Retamales, P. A. Vergara & A. 

Gutierrez.  1996a.  Gracilaria  tank  cultivation  in  Chile:  use  of  land  based  salmon  culture 

effluents. Aqua. Eng. 15:283–300. 

17. Buschmann,  A.H.,  Riquelme,  V.A.,  Hernández‐González,  M.,  Varela,  D.,  Jiménez,  J.E., 

Henríquez,  L.A., Vergara,  P.A., Guí˜nez,  R.,  Filún,  a.L.,  2006. A  review  of  the  impacts  of 

salmonid farming on marine coastal ecosystems in the southeast Pacific. Journal of Marine 

Science 63, 1338–1345. 

18. Buschmann,  A.H.,  Varela,  D.A.,  Hernández‐González,  M.C.,  Huovinen,  P.,  2008. 

Opportunities  and  challenges  for  the  development  of  an  integrated  seaweedbased 

aquaculture activity in Chile: Determining the physiological capabilities of Macrocystis and 

Gracilaria as biofilters. Journal of Applied Phycology 20, 571–577. 

19. Cheshuk, B. W., G.  J. Purser & R. Quintana. 2003.  Integrated open‐water mussel  (Mytilus 

planulatus) and Atlantic salmon  (Salmo salar) culture  in Tasmania, Australia. Aquaculture 

218: 357–378. 

20. Chopin T., Bastarache S. 2004, World Aquaculture, Jan. 2004, pp. 37‐41. 

21. Chopin, T., A. H. Buschmann, C. Halling, M. Troell, N. Kautsky, A. Neori, G. P. Kraemer, J. A. 

Zertuche‐Gonza´  lez,  C.  Yarish  &  C.  Neefus.  2001.  Integrating  seaweeds  into  marine 

aquaculture systems: a key toward sustainability. J. Phycol. 37:975–986. 

22. Chopin, T., Robinson, S., Sawhney, M., Bastarache, S., Belyea, E., Shea, R., Armstrong, R., 

Stewart, I., Fitzgerald, P., 2004. The AquaNet integrated multi‐trophic aquaculture project: 

rationale of  the project and development of kelp  cultivation as  the  in organic extractive 

component  of  the  system.  In:  Proceedings  of  the  Integrated Multi‐Trophic  Aquaculture 

Workshop, p. 11. 

23. Chopin, T., Robinson, S.M.C., Troell, M., Neori, A., Fang, J., 2008. Multi‐trophic integration 

for sustainable marine aquaculture. In: Jørgensen, S.E., Fath, B.D. (Eds.), The Encyclopedia of 

Ecology, Ecological Engineering, vol. 3. Elsevier, Oxford, pp. 2463–2475. 

24. Clarkson, R. and Lane, S.D., 1991. Use of a small scale nutrient‐film  hydroponic technique to 

reduce mineral accumulation in aquarium water. Aquacult. Fish. Manage., Volume 22, 37–

45 

25. Coyne, R., M. Hiney, B. O’Connor, J. Kerry, D. Cazabon & P. Smith. 1994. Concentration and 

persistence  of  oxytetracycline  in  sediments  under  a marine  salmon  farm.  Aquaculture 

123:31–42. 

26. Cripps, S. and Kumar, M., 2003. Environmental and other impacts of aquaculture. Lucas, J.S. 

and  Southgate,  P.C.,  eds.,  Aquaculture:  Farming  Aquatic  Animals  and  Plants,  Blackwell, 

Oxford, 74–99. 

27. Cripps, S. J. 1995. Serial particle size fractionation and characterization of an aquacultural effluent. Aquaculture 133:23–339. 

28. Cunha M. E., Quental‐Ferreira H., Caetano M., Leao M., Soares A.C., Matias F., Joaquim D., 

Pousao‐Ferreira  P.,  Experimental  design  and  water  quality  of  a  land‐based  integrated 

Page 45: Deliverables Establishing Environmental Impact Assessment and …ecofish-project.com/wp-content/uploads/2018/12/D2.1.pdf · is a toxic metabolic product excreted by the fish, into

645691 ‐ ECOFISH Project MSCA‐RISE‐2014: Marie Sklodowska‐Curie 

multitrophic aquaculture  (IMTA) – Plankton/Oyster/Sea Cucumber/Fish  in earthen ponds, 

2011 

29. Cunha M.E., Quental‐Ferreira H.,  Leao C.A., Matias A., Matias D.,  Joaquim  S.,  Soares  F., 

Pousao‐Ferreira P., Integrated multitrophic aquaculture in earthen ponds, Conference paper, 

September 2012 

30. Dediu  L.,  Cristea  V.  and  Xiaoshuan  Z.,  2012. Waste  production  and  valorization  in  an 

integrated aquaponic system with bester and lettuce African Journal of Biotechnology Vol. 

11(9), 2349‐2358, 

31. Dediu  L.,  Cristea  V.,  Docan  A.,  and  Vasilean  I.,    2011.  Evaluation  of  condition  and technological performance of hybrid bester reared in standard and aquaponic system; AACL 

Bioflux, Volume 4, Issue 4. 490‐498 

32. Deudero S., Tor A., Alomar C., Valencia J.M., Sarriera P., Blanco A., Integrated Multitrophic 

Aquaculture: Filter Feeders Bivalves as Efficient Reducers of Wastes Derived from Coastal 

Aquaculture Assessed with Stable Isotope Analyses,  Aquaculture and the Environment, 2011 

33. Dolmer, P. 1998. Seasonal and spatial variability in growth of Mytilus edulis L. in a brackish 

sound: comparisons of individual mussel growth and growth of size classes. Fish. Res. 34:17–

26. 

34.  Douglas, J.S., 1985. Advanced Guide to Hydroponics. Pelham Books, London, 369 

35. Dowd, M., 2005. A bio‐physical coastal ecosystem model for assessing environmental effects 

of marine bivalve aquaculture. Ecological Modelling 183, 323–346. 

36. Duarte, P., Meneses, R., Hawkins, A.J.S., Zhu, M., Fang,  J., Grant,  J., 2003. Mathematical 

modelling  to assess  the carrying capacity  for multi‐species culture within coastal waters. 

Ecological Modelling 168, 109–143. 

37. Endut A.,  Jusoh A., Ali N., Wan Nik W.N.S., Hassan A., 2009, Effect of  flow rate on water 

quality parameters and plant growth of water spinach (Ipomoea aquatic)  in an aquaponic 

recirculating system, Desalination and Water J., No. 5, 19‐28. 

38. Endut, A.; Jusoh, A.; Ali, N.; Wan Nik, W.B.; Hassan, A., 2010. A study on the optimal hydraulic 

loading  rate and plant  ratios  in  recirculation aquaponic  system. Bioresour. Technol. 101, 

1511–1517 

39. Farias‐Sanchez, J. A. 1983. Experimental trial on the growth of mussels, Mytilus edulis, on 

ropes suspended from marine fish cages. MS thesis, University of Sterling. 80 pp. 

40. Folke,  C. & N.  Kautsky.  1989.  The  role  of  ecosystems  for  a  sustainable  development  of 

aquaculture. Ambio 18:234–243. 

41. Folke, C. & N. Kautsky. 1992. Aquaculture with its environment, prospects for sustainability. 

Ocean Coast. Manage. 17:5–24. 

42. Fransz, H.G., Mommaerts,  J.‐P., Radach, G., 1991. Ecological modelling of  the North Sea. 

Netherlands Journal of Sea Research 28, 67–140. 

43. Frechette, M. & E. Bourget. 1987. Significance of small‐scale spatiotemporal heterogeneity 

of phytoplankton abundance for energy flow in Mytilus edulis. Mar. Biol. 94:231–240. 

44. Ghaly,  A.  E.  and  Snow,  A. M.,  2008.  Use  of  barley  for  the  purification  of  aquaculture 

wastewater in a hydroponics system. Am. J. Environ. Sci., 4, 89–102. 

45. Ghaly,  A.  E.,  Kamal,  M.,  Mahmoud,  N.S.,  2005.  Phytoremediation  Of  Aquaculture 

Wastewater For Water Recycling And Production Of Fish Feed; Environment International, 

No. 31, Pages 1–13. 

Page 46: Deliverables Establishing Environmental Impact Assessment and …ecofish-project.com/wp-content/uploads/2018/12/D2.1.pdf · is a toxic metabolic product excreted by the fish, into

645691 ‐ ECOFISH Project MSCA‐RISE‐2014: Marie Sklodowska‐Curie 

46. Gjesteland  I. 2013. Study of Water Quality of Recirculated Water  in Aquaponic Systems;; 

Norwegian University of Science and Technology, Department of Chemistry,  

47. Gloger,  K.  C.,  Rakocy,  J.  E.,  Conter,  J.  B.,  Bailey, D.  S.,  Cole, W. M.,  Shultz,  K. A.,  1995. 

Contribution of lettuce to wastewater treatment capacity of raft hydro‐ ponics in a closed 

recirculating fish culture system. Timmons M. B., editor. Aquacultural engineering and waste 

management.  Proceedings  from  the Aquaculture  Expo VIII  and Aquaculture  in  the Mid‐

Atlantic Conference, Washington DC: 272–300 

48. Gordin, H., M. Krom, A. Neori, D. Popper & M. Shpigel. 1990. Intensive integrated seawater 

fish ponds, fish growth and water quality. Eur. Aqua. Soc. 11:45–65. 

49. Goto,  E.,  Both,  A.J.,  Albright,  L.D.,  Langhans,  R.W.,  Leed,  A.R.,  1996.  Effect  of  dissolved 

oxygen concentration on  lettuce growth  in  floating hydroponics. Acta Horticulture  (ISHS) 

440, 205–210. 

50. Gowen, R. J. & N. B. Bradbury. 1987. The ecological impact of salmonid farming in coastal 

waters: a review. Oceanogr. Mar. Biol. Annu. Rev 25:563–575. 

51. Gowen, R. J., J. Brown, N. B. Bradbury & D. S. McLusky. 1988.  Investigations  into benthic 

enrichment, hypernutrification and eutrophication associated with mariculture  in Scottish 

coastal waters  (1984–1988). Report  to Highlands and  Islands Development Board, Crown 

Estates Commissioners, Nature Conservatory Council, Countryside Commission for Scotland, 

and the Scottish Salmon Growers Association. 289 pp. 

52. Graber A., Ranka J., 2009.Aquaponic Systems: Nutrient recycling from fish wastewater by 

vegetable production Desalination 246. 147–156 

53. Granada  L.,  Sousa N.,  Lopes  S., Marco  F.L.L.,  Is  integrated multitrophic  aquaculture  the 

solution to the sectors’ major challenges? – a review, Reviews in aquaculture (2015) 6, 1‐18 

54. Grangeré, K., Lefebvre, S., Bacher, C., Cugier, P., Ménesguen, A., 2010. Modelling the spatial 

heterogeneity of ecological processes  in an  intertidal estuarine bay: dynamic  interactions 

between bivalves and phytoplankton. Marine Ecology Progress Series 415, 141–158. 

55. Grant, J., Curran, K.J., Guyondet, T.L., Tita, G., Bacher, C., Koutitonsky, V., Dowd, M., 2007. A 

box model of carrying capacity for suspended mussel aquaculture in Lagune de la Grande‐

Entrée. Iles‐de‐la‐Madeleine, Québec. Ecological Modelling 200, 193–206. 

56. Gutiérrez R., Gallardo C. Alfredo,. Hernández‐Vergara M. P., Pérez‐Rostro C.  I., Sergio C., 

2014.  Biculture  tilapia/crayfish  in  aquaponic  system  Biculture  of  Tilapia  (Oreochromis 

niloticus) and crayfish (Procambarus acanthophorus) and production of green corn fodder 

(Zea mays)  in  an  aquaponic  system.  Global  Advanced  Research  Journal  of  Agricultural 

Science (ISSN: 2315‐5094) Vol. 3(8) 233‐244,  

57. Hadley  S,Wild‐Allen  K,  Johnson  C, Macleod  C  (2014) Modeling macroalgae  growth  and 

nutrient  dynamics  for  integrated  multi‐trophic  aquaculture.  J  Appl  Phycol. 

doi:10.1007/s10811‐014‐0370‐y 

58. Hatcher, J., Grant, J., Schofield, B., 1994. Effects of suspended mussel culture (Mytilus spp.) 

on  sedimentation  benthic  respiration  and  sediment  nutrient  dynamics  in  a  coastal  bay. 

Marine Ecology Progress Series 115, 219–235. 

59. Hawkins, A.J.S., James, M.R., Hickman, R.W., Hatton, S., Weatherhead, M., 1999. Modelling 

of suspension‐feeding and growth in the green‐lipped mussel Perna canaliculus exposed to 

natural and experimental variations of seston availability in the Marlbourough Sounds, New 

Zealand. Marine Ecology Progress Series 191, 217–232. 

Page 47: Deliverables Establishing Environmental Impact Assessment and …ecofish-project.com/wp-content/uploads/2018/12/D2.1.pdf · is a toxic metabolic product excreted by the fish, into

645691 ‐ ECOFISH Project MSCA‐RISE‐2014: Marie Sklodowska‐Curie 

60. Hughes A.D., Kelly, M.S., 2011. Integrated Multi‐Trophic Aquaculture. Scottish Association of 

Marine  Science,  15  p.  http://www.sarf.org.uk/cmsassets/documents/28926‐

823833.current‐state‐of‐integrated‐aquaculture. 

61. Jiang, Z. and Xinyuan, Z., 1998, Treatment and utilization of wastewater in Beijing Zoo by an 

aquatic macrophytes system. Ecol. Eng., 11, 101–110. 

62. Jo, J. Y., Ma J. S. and Kim, I. B., 2000. Comparisons of four commonly used aquatic plants for 

removing  nitrogen  nutrients  in  the  intensive  bioproduction  Korean  (IBK)  recirculating 

aquaculture system. Proc. 3rd Intl. Conf. on Recirculating Aquaculture, Roanoke, VA,  

63. Jones,  T.  O.  &  G.  K.  Iwama.  1991.  Polyculture  of  the  Pacific  oyster,  Crassostrea  gigas 

(Thunberg), with Chinook salmon, Oncorhynchus tshawytscha. Aquaculture 92:313–322. 

64. Kautsky, N. & C. Folke. 1991. Integrating open system aquaculture, ecological engineering 

for increased production and environmental improvement through nutrient recycling. In C. 

Etnier  &  B.  Guterstam,  editors.  Ecological  engineering  for  wastewater  treatment. 

Gothenburg, Sweden: Bokskogen. pp. 320–324. 

65. Kautsky, N. 1982. Quantitative studies on the gonad cycle, fecundity, reproductive output and recruitment in a Baltic Mytilus edulis population. Mar. Biol. 68:143–160. 

66. Kautsky, N., J. Johannesson & M. Tedengren. 1990. Genotypic and phenotypic differences 

between Baltic and North Sea populations of Mytilus edulis evaluated through reciprocal 

transplantations: 1. Growth and morphology. Mar. Ecol. Prog. Ser. 59:203–210. 

67. Kloas W.,  Groß  R.,  Baganz  D.,  Graupner  J., Monsees  H.,  Schmidt  U.,  Staaks  G.,  Suhl  J., 

Tschirner M., Wittstock B., Wuertz S., Zikova A., 2015. A new concept for aquaponic systems 

to improve sustainability, increase productivity, and reduce environmental impactsBernhard 

Rennert; Aquaculture Environment Interactions Aquacult Environ Interact; Vol. 7: 179–192, 

doi: 10.3354/aei00146 

68. Kooijman,  S.A.L.M.,  2000.  Dynamic  Energy  and  Mass  Budgets  in  Biological  Systems. 

Cambridge University Press, Cambridge.  

69. Koottatep T., Polprasert C., 1997. Role of plant uptake on nitrogen removal in constructed 

wetlands located in the tropics. Water Sci. Technol., Volume 36, 1–8. 

70. Lander TR, Robinson SMC, MacDonald BA, Martin  JD  (2012) Enhanced growth  rates and 

condition index of blue mussels (Mytilus edulis) held at integrated multi‐trophic aquaculture 

sites in the Bay of Fundy. Journal of Shellfish Research, Vol. 31, No. 4, 997–1007 

71. Lefebvre, S., L. Barille &M. Clerc. 2000. Pacific oyster Crassostrea gigas feeding responses to 

a fish‐farm effluent. Aquaculture 187:185–198. 

72. Lennard W. A.,  Leonard B. V., 2006. A comparison of three different hydroponic sub‐systems 

(gravel bed, floating and nutrient film technique) in an Aquaponic test system Aquacult In 

14: DOI 10.1007/s10499‐006‐9053‐2 539–550   

73. Lennard W. A.. Leonard, V., 2004. A comparison of reciprocating flow versus constant flow 

in an integrated, gravel bed, aquaponic test system Aquaculture International 12: 539–553,  

74. Lennard, W. A.,  Leonard   B.,   V., 2006. A  comparison of  three different hydroponic  sub‐

systems  (gravel  bed,  floating  and  nutrient  film  technique  in  an  Aquaponic  test  system; 

Aquacult Int Springer Science, Business Media B.V., Volume 14, , Pages 539–550. 

75. Lennard, W. A., Leonard B. V., 2006. A comparison of three different hydroponic sub‐systems 

(gravel bed, floating and nutrient film technique in an Aquaponic test system; Aquacult Int 

Springer Science, Business Media B.V.,Volume 14, 2006, 539–550. 

Page 48: Deliverables Establishing Environmental Impact Assessment and …ecofish-project.com/wp-content/uploads/2018/12/D2.1.pdf · is a toxic metabolic product excreted by the fish, into

645691 ‐ ECOFISH Project MSCA‐RISE‐2014: Marie Sklodowska‐Curie 

76. Li JW, Dong SL, Gao QF,Wang F, Tian XL (2014) Total organic carbon budget of  integrated 

aquaculture system of sea cucumber Apostichopus japonicus, jellyfish Rhopilema esculenta 

and shrimp Fenneropenaeus chinensis. Aquac Res 45:1825–1831 

77. Li  S  (1987)  Energy  structure  and  efficiency  of  a  typical  Chinese  integrated  fish  farm. 

Aquaculture 65:105–118 

78. Li, S., Zhang, G., Wang, B., 1983. Co‐culture of kelp (Laminaria haponicus Aresch) and scallop 

(Chlamys farreri Jones et Preston). Transactions of Oceanology and Limnology 4, 70–75. 

79. Light  Savage,  A.  J.,  1985.  Ed., Hydroponics Worldwide:  State  of  the  Art  in  Soilless  Crop 

Production. International Center for Special Studies, Honolulu, Hawaii, 58–69. 

80.  Lin  Y.  F.,  Jing  S. R.  and  Lee, D.Y.,  2005, Performance of  a  constructed wetland  treating 

intensive shrimp aquaculture wastewater under high hydraulic loading rate, Environ. Poll., 

Volume 134,  411–421. 

81. Lin, Y. F.,  Jing, S. R., and Lee, D. Y., 2003, The potential use of constructed wetlands  in a recirculating aquaculture system for shrimp culture. Environ. Pollut., Volume 123, 107–113. 

82. MacDonald, B. A., S. M. C. Robinson & K. A. Barrington. 2011. Feeding activity of mussels 

(Mytilus  edulis)  held  in  the  field  at  an  integrated multi‐trophic  aquaculture  (IMTA)  site 

(Salmo salar) and exposed to fish food in the laboratory. Aquaculture 314:244–251. 

83. Madenjian,  C.P.,  O’Connor,  D.V.,  Chernyak,  S.M.,  Rediske,  R.R.,  O’Keefe,  J.P.,  2004. 

Evaluation of a chinook salmon (Oncorhynchus tshawytscha) bioenergetics model. Canadian 

Bulletin of Fisheries and Aquatic Sciences 61, 627–635. 

84. Mallet, A. L. & C. E. A. Carver. 1993. Temporal production patterns in various size groups of 

the blue mussel. J. Exp. Mar. Biol. Ecol. 170:75–89. 

85. Mallet, A. L. &C. E. A. Carver. 1989. Growth, mortality and secondary production in natural 

populations of the blue mussel Mytilus edulis. Can. J. Fish. Aquat. Sci. 46:1154–1159. 

86. Mallet, A. L., E. Zouros, K. E. Gartner‐Kepay & K. R. Freeman. 1986. Genetics of growth  in 

blue mussels: family and enzyme heterozygosity effect. Mar. Biol. 92:475–482. 

87. Mant, C., Peterkin, J., May, E., Butler, J., 2003. A feasibility study of a Salix viminalis gravel 

hydroponic  system  to  renovate  primary  settled  wastewater.  Bio‐  resource  Technology, 

Volume 90, 19–25. 

88. Mao Y, Yang H, Zhou Y, Ye N, Fang J (2009) Potential of the seaweed Gracilaria lemaneiformis 

for integrated multi‐trophic aquaculture with scallop Chlamys farreri in north China. J Appl 

Phycol 21:649–656 

89. Marschner, H. 1988. Mineral nutrition of high plants. New York: Academic Press, 

90. Masser, M. P., Rakocy, J. and Losordo T. M.. 1999, Recirculating aquaculture tank production 

systems: management of recirculating systems. S. Regional Aquaculture Center Publication 

No. 452: 12. 

91. Mazzola, A. & G. Sara´ . 2001. The effect of fish farming organic waste on food availability for 

bivalve mollusks  (Gaeta  Gulf,  Central  Tyrrhenian, MED),  stable  carbon  isotope  analysis. 

Aquaculture 192: 361–379. 

92. McMurtry, M. R., Sanders, D. C., Patterson, R. P. and Nash, A., 1993. Yield of tomato irrigated 

with recirculating aquacultural water. Journal of Production Agriculture, Volume 6, 429–432. 

93. McVey, J.P., R.R. Stickney, C. Yarish and T. Chopin. 2002. Aquatic polyculture and balanced 

ecosystem management:  New  paradigms  for  seafood  production.  Pages  91‐104  In  R.R. 

Page 49: Deliverables Establishing Environmental Impact Assessment and …ecofish-project.com/wp-content/uploads/2018/12/D2.1.pdf · is a toxic metabolic product excreted by the fish, into

645691 ‐ ECOFISH Project MSCA‐RISE‐2014: Marie Sklodowska‐Curie 

Stickney and J.P. McVey, editors. Responsible Marine Aquaculture. CABI Publishing, Oxon, 

United Kingdom. 

94. Milanese M,  Chelossi  E, Manconi  R,  Sara  A,  Sidri M,  Pronzato  R.,   The marine  sponge 

Chondrilla nucula Schmidt, 1862 as an elective candidate for bioremediation  in  integrated 

aquaculture, (2003) Biomolecular Engineering 20: 363–368. 

95. Monneta,  F.,  Vaillanta,  N.,  Hitmia,  A.,  Vernaya,  P.,  Coudretb,  A.,  Sallanonb,  H.,  2002, 

Treatment  of  domestic wastewater  using  the  nutrient  film  technique  (NFT)  to  produce 

horticultural roses, Water Research 36, 3489–3496 

96. NACA, 1989. Integrated Fish Farming in China. FAO NACA Technical Manual 7. A World Food 

Day Publication of  the Network of Aquaculture Centres  in Asia and  the Pacific, Bangkok, 

Thailand, 278 pp. 

97. Navarrete‐Mier,  F., C.  Sanz‐La´  zaro & A. Marin.  2010. Does bivalve mollusk polyculture 

reduce marine fin fish farming environmental impact? Aquaculture 306:101–107. 

98. Nelson, E. B., 2004.   Microbial dynamic and  interactions  in the sphermosphere. Ann. Rev. 

Phytopathol.,    Volume 42, 271–309 

99. Neori A, Chopin T, Troell M, Buschmann AH, Kraemer GP, Halling C, Shpigel M, Yarish C (2004) 

Integrated  aquaculture:  rationale,  evolution  and  state  of  the  art  emphasizing  seaweed 

biofiltration in modern mariculture. Aquaculture 231:361–391 

100. Neori, A. & M. Shpigel. 1999. Algae treated effluents and feed invertebrates in sustainable 

integrated aquaculture. World Aquacult. 30:46–49, 51. 

101. Neori, A., Chopin, T., Troell, M., Buschmann, A.H., Kraemer, G.P., Halling, C., Shpigel, M., 

Yarish,  C.,  2004.  Integrated  aquaculture:  rationale,  evolution  and  state  of  the  art 

emphasizing seaweed biofiltration in modern mariculture. Aquaculture 231, 361–391. 

102. Neori, A., S. P. Ellner, C. E. Boyd&M.D. Krom. 1993. The integration of seaweed biofilters 

with intensive fish ponds to improve water quality and recapture nutrients. In: G. A. Moshiri, 

editor.  Constructed  wetlands  for  water  quality  improvement.  Boca  Raton,  FL:  Lewis 

Publishers. pp. 603–607. 

103. Neori, A., T. Chopin, M. Troell, A. H. Buschmann, P. Kraemer, C. Halling, M. Shpigel & C. 

Yarish.  2004.  Integrated  aquaculture:  rationale,  evolution  and  state  of  art  emphasizing 

seaweed biofiltration in modern mariculture. Aquaculture 231:361–391. 

104. Øie, G., I. R. Kjell, O. Vadstein & H. Reinertsen. 2002. Effect of nutrient supply on the growth of blue mussels (Mytilus edulis) in a landlocked bay. Hydrobiologia 484:99–109. 

105. Okumusx, I. & H. P. Stirling. 1995. Seasonal variations in the meat weight, condition index 

and biochemical  composition  of mussels  (Mytilus  edulis  L.)  in  suspended  culture  in  two 

Scottish sea lochs. Aquaculture 159:249–261. 

106. Page, H. M. & D.M. Hubbard. 1987. Temporal and spatial patterns of growth  in mussels 

Mytilus  edulis  on  an  offshore  platform:  relationships  to  water  temperature  and  food 

availability. J. Exp. Mar. Biol. Ecol. 111:159–179. 

107. Page, H. M. & Y. O. Ricard. 1990. Food availability as a  limiting factor to mussel Mytilus 

edulis growth in California coastal waters. Fish Bull. 88:677–686. 

108. Pantanella,  E.;  Cardarelli,  M.;  Colla,  G.;  Rea,  E.;  Marcucci,  A.,  2012.  Aquaponics  vs. 

Hydroponics: Production and Quality of Lettuce Crop. Acta Hortic. 927, 887–893. 

Page 50: Deliverables Establishing Environmental Impact Assessment and …ecofish-project.com/wp-content/uploads/2018/12/D2.1.pdf · is a toxic metabolic product excreted by the fish, into

645691 ‐ ECOFISH Project MSCA‐RISE‐2014: Marie Sklodowska‐Curie 

109. Perharda, M., I. Zupan, L. Bavcevic, A. Frankic & T. Klanjscek. 2007. Growth and condition 

index of mussel Mytilus galloprovincialis in experimental integrated aquaculture. Aquacult. 

Res. 38:1714–1720. 

110.  Petrea S. M., 2014A, PhD Thesis at  ,,Dunarea de  Jos’’ University of Galati;   A  research 

regarding the optimization of aquaponic techniques for water quality control in recirculating 

aquaculture systems, pp. VII 

111. Petrea S. M., Cristea V., Dediu L., Contoman M., Lupoae P., Mocanu (Crełu)  M., Coada M. 

T., 2013A. Vegetable Production in an Integrated Aquaponic System with Rainbow Trout and 

Spinach UASVM Animal Science and Biotechnologies 70(1)/ 45‐54 

112. Petrea  S. M.,  Cristea  V.,  Dediu  L.,  Contoman M.,  Stroe  D.M.,  Antache  A.,  Coadă M. 

T.,Placinta S.,  2014B. Vegetable Production in an Integrated Aquaponic System with Stellate 

Sturgeon and Spinach–Matador variety Animal Science and Biotechnologies, 47 (1) 228‐2384 

113. Petrea,  St. M., Cristea, V., Dediu, L., Contoman, M., Ion (Placinta), S., Mocanu (Cretu), M. 

and Antache, A.; Study of nitrogen cycle  in an  integrated aquaponic system with different 

plant  densities;  2013B;  Bulletin  of  University  of  Agricultural  Sciences  and  Veterinary 

Medicine Cluj‐Napoca. Animal Science And Biotechnologies Volume. 70(1), 2013, Pages 55‐

64. 

114. Petrea, Ș. M., Cristea, V., Dediu, L., Liu,  F., Contoman, M., Lupoae, P., Antache, A., Bandi, 

A.  C.,  A  Study  of  Nitrogen  Dynamics  in  an  Integrated  Stellate  Sturgeon  and  Spinach 

Aquaponic  System  with  Different  Crop  Densities  ,  Bulletin  UASVM  Animal  Science  and 

Biotechnologies 71(2), 2014C, Pages 196‐206.  

115. Petrea, St. M., Cristea, V.,   Dediu, L., Contoman, M.,   Antache, A.,   Coada, M. T.,  Ion, S.,  

Bandi, Al. C., A study of phosphorus and calcium dynamics  in an  integrated rainbow trout 

and spinach (Nores variety) aquaponic system with different crop densities; Bioengineering 

of animal resources Symposium; Animal Science and Biotechnologies, Volume 47 (2), 2014‐

D, Pages 196‐206 

116. Petrell RJ, Alie SY (1996) Integrated cultivation of salmonids and seaweeds in open systems. 

Hydrobiologia 326: 67–73 

117. Phillips, M.  J., M. C. M. Beveridge &  J. F. Muir. 1986. Waste output and environmental 

effects of rainbow trout cage culture. Comm. Meet. Int. Count. Explor. Sea C.M.‐ICES/F:21, 

Maricult. Comm., Sess. W. (1986), p. 18. 

118. Phillips, M. J., M. C. M. Beveridge & T. M. Clarke. 1991.  Impact of aquaculture on water 

resources. In: D. Brune & J. R. Tomasso, editors. Aquaculture and water quality. Advances in 

world aquaculture, vol. 3. Baton Rouge, LA: The World Aquaculture Society. pp. 568–591. 

119. Poxton, M. G. and Allouse, S.B., 1982. Water quality criteria for marine fisheries. Aquacul. 

Eng., 1, 153–191. 

120. Rafiee, G., Che Roos, S. 2006. The Effect of Natural Zeolite  (Clinoptiolite) on Aquaponic Production of Red Tilapia (Oreochromis sp.) and Lettuce (Lactuca sativa var. longifolia), and 

Improvement of Water Quality; J. Agric. Sci. Technol., Volume 8, 313‐323 

121. Rakocy, J. E., Hargreaves, J. A., 1993. Integration of vegetable hydroponics with fish culture: A  Review.  Wang,  J.K.  (Ed.),  Techniques  for  Modern  Aquaculture.American  Society  of 

Agricultural Engineers, Michigan, USA, 112–136.  

122. Rakocy, J. E.; Bailey, D.S.; Shultz, R.C.; Thoman, E.S. 2004 Update on tilapia and vegetable 

productionin the UVI aquaponic system. In New Dimensions on Farmed Tilapia, Proceedings 

Page 51: Deliverables Establishing Environmental Impact Assessment and …ecofish-project.com/wp-content/uploads/2018/12/D2.1.pdf · is a toxic metabolic product excreted by the fish, into

645691 ‐ ECOFISH Project MSCA‐RISE‐2014: Marie Sklodowska‐Curie 

of the 6th International Symposium on Tilapia in Aquaculture, Manila, Philippines,;Volume 

6, 1–15. 

123. Rakocy, J. E.; Shultz, R. C.; Bailey, D. S.; Thoman, E.S. 2004. Aquaponic production of tilapia 

and basil: Comparing a batch and staggered cropping system. Acta Hortic. 648, 63–69. 

124. Rakocy,  J.,  E.,  Masser,  M.,  P.,  Losordo,  T.,  M.,  2006,  Recirculating  aquaculture  tank 

production system: Aquaponics‐ Integrating fish and plant culture, SRAC Publication, No.454, 

1‐16. 

125. Redmond, K. J., T. Magnesen, P. K. Hansen, O. Strand & S. Meier. 2010. Stable isotopes and 

fatty acids as tracers of the assimilation of salmon fish feed in blue mussels (Mytilus edulis). 

Aquaculture 298:202–210. 

126. Reid, G. K., M. Liutkus, A. Bennett, S. M. C. Robinson, B. A. MacDonald & F. Page. 2010. 

Absorption efficiency of blue mussels (Mytilus edulis and M. trossulus) feeding on Atlantic 

salmon (Salmo salar) feed and fecal particulates:  implications for  integrated multi‐trophic 

aquaculture. Aquaculture 299:165–169. 

127. Reid, G.K., Liutkus, M., Robinson, S.M.C., Chopin, T.R., Blair, T., Lander, T., Mullen, J., Page, 

F., Moccia, R.D., 2009. A review of the biophysical properties of salmonid faeces: implications 

for  aquaculture  waste  dispersal  models  and  integrated  multi‐trophic  aquaculture. 

Aquaculture and Research 40, 257–273. 

128. Ren  J.S.,  Stenton‐Dozey  J.,  Plew D.R.,  Fang  J., Gall M.,  2012.  An  ecosystem model  for 

optimising production in integrated multi‐trophic aquaculture systems. Ecological Modelling 

246 (2012) 34– 46. 

129. Ren, J.S., Ross, A.H., Hadfield, M.G., Hayden, B.J., 2010. An ecosystem model for estimating 

potential shellfish culture production in sheltered coastal waters. Ecological Modelling 221, 

527–539. 

130. Ridler N, Wowchuk M, Robinson B, Barrington K, Chopin T, Robinson S, Page F, Reid G, 

Szemerda M, Sewuster J, Boyne‐Travis S (2007) Integrated multi‐trophic aquaculture (IMTA): 

a potential strategic choice for farmers. Aquac Econ Manag 11:99–110 

131. Rodhouse, P. G., C. M. Roden, M. P. Hensey, T. McMahon, B. Ottway & T. H. Ryan. 1984. 

Food resource, gametogenesis and growth of Mytilus edulis on the shore and in suspended 

culture in Killary Harbour, Ireland. J. Mar. Biol. Assoc. UK 64: 513–529. 

132. Rohyani I.S., Faturrahman, Sukiman, Akhyadi H., Boosted seaweed farmer income through 

application of multitrophic sea farming technology: a case in the gerupuk bay, International 

Seminar on Tropical Natural Resources, 2015 

133. Roosta H. R., 2013. Mohsen Hamidpour Mineral Nutrient Content Of Tomato Plants  In 

Aquaponic And Hydroponic Systems: Effect Of Foliar Application Of Some Macroand Micro‐

Nutrients; Journal of Plant Nutrition, 36, 2070–2083,  

134. Roosta, H. R.; Hamidpour, M., 2011, Effects of foliar application of some macro‐ and micro‐

nutrients on tomato plants in aquaponic and hydroponic systems. Sci. Hortic. 129, 396–402 

135. Salam, M. A. Jahan, N. Hashem S. and Rana K. M. S., 2014. Feasibility of tomato production 

in aquaponic system using different substrates Progressive Agriculture 25:54‐62,  

136. Sara, G., A. Zenone & A. Tomasello. 2009. Growth of Mytilus galloprovincialis (Mollusca, 

Bivalvia)  close  to  fish  farms:  a  case  of  integrated multi‐trophic  aquaculture within  the 

Tyrrhenian Sea. Hydrobiologia 636:129–136. 

Page 52: Deliverables Establishing Environmental Impact Assessment and …ecofish-project.com/wp-content/uploads/2018/12/D2.1.pdf · is a toxic metabolic product excreted by the fish, into

645691 ‐ ECOFISH Project MSCA‐RISE‐2014: Marie Sklodowska‐Curie 

137. Seawright,  D.  E.,  Stickney,  R.  R., Walker,  R.  B.,  1998.  Nutrient  dynamics  in  integrated 

aquaculture hydroponic systems. Aquaculture Volume 160, 215–237. 

138. Seed, R. 1968.  Factors  influencing  shell  shape  in Mytilus edulis.  J. Mar. Biol. Assoc. UK 

48:561–584. 

139. Seed, R.&T.H. Suchanek. 1992. Population and community ecology of Mytilus.  In: E. M. 

Gosling, editor. The mussel Mytilus ecology, physiology, genetics and culture: developments 

in aquaculture and fisheries science, no. 25. Amsterdam: Elsevier. pp. 87–169. 

140. Shete A. P., Verma A. K., Tandel R. Chandra Prakash S., Tiwari V. K., 2013. Tanveer Hussain 

Optimization  of  Water  Circulation  Period  for  the  Culture  of  Goldfish  with  Spinach  in 

Aquaponic System;, Journal of Agricultural Science; Vol. 5, No. 4; 26‐30, 

141. Shpigel, M. & A. Neori. 1996. Abalone and  seaweeds  intensive cultivation  in  integrated 

land‐based mariculture system: I. Proposed design and cost analyses. Aquacult. Eng. 15:313–

326. 

142. Shpigel,  M.,  A.  Neori,  D.  A.  Popper  &  H.  Gordin.  1993b.  A  proposed  model  for 

‘‘environmentally  clean’’  land‐based  culture  of  fish,  bivalves  and  seaweed.  Aquaculture 

117:115–128. 

143. Shpigel, M., J. Lee, B. Soohoo, R. Fridman & H. Gordin. 1993a. Use of effluent water from 

fish ponds as a food source for the Pacific oyster, Crassostrea gigas (Thunberg). Aquacult. 

Fish. Manage. 24:529–543. 

144. Sikawa D. C., Yakupitiyage A., 2010. The hydroponic production of lettuce (Lactuca sativa L) by using hybrid catfish (Clarias macrocephalus×C. gariepinus) pond water: Potentials and 

constraints Agricultural Water Management 97, 1317–1325 

145. Silva L., Eucario G. L., Escalante E., Fitzsimmon K. M. s and Lozano D. V., 2015. Evaluation of 

Biomass Yield and Water Treatment  in Two Aquaponic Systems Using  the Dynamic Root 

Floating Technique (DRF) ; Sustainability 7, 15384‐15399  

146. Soto, D., 2009.  Integrated Mariculture: A Global Review. FAO Fisheries and Aquaculture 

Technical Paper 529, Rome, 183 pp. 

147. Stabili L., Licciano M., Giangrande A., Longo C., Mercurio M., Marzano CN et al.  (2006), 

Foltering activity of Spongia officinalis var. adriatica (Schmidt) (Porifera, Demospongiae) on 

bacterioplankton:  implications  for  bioremediation  of  polluted  seawater, Water  research 

(2006) 40: 3083‐3090 

148. Stewart,  D.J.,  Ibarra, M.,  1991.  Predation  and  production  by  salmonine  fishes  in  Lake 

Michigan 1978–88. Canadian Journal of Fisheries and Aquatic Sciences 48, 902–922. 

149. Stirling, H. P. &  I. Okumusx. 1995. Growth and production of mussels  (Mytilus edulis L.) 

suspended  at  salmon  cages  and  shellfish  farms  in  two  Scottish  sea  lochs.  Aquaculture 

134:193–210. 

150. Taylor, B. E., G. Jamieson & T. H. Carefoot. 1992. Mussel culture  in British Columbia: the 

influence of salmon farms on growth of Mytilus edulis. Aquaculture 108:51–66. 

151. Thorarinsdo¨ ttir, G. G. 1996. Gonad development, larval settlement and growth of Mytilus 

edulis L. in a suspended population in Havlfjo¨ rd, south‐west Iceland. Aquacult. Res. 27:57–

65. 

152. Timmons,  M.  B.,  Ebeling,  J.  M.,  Wheaton,  F.  W.,  Summerfelt,  S.T.,  Vinci,  B.J.,  2002. 

Recirculating Aquaculture Systems ‐2nd Edition, Pub. No 01, Cayaga Aqua Ventures – N. Y. 

Page 53: Deliverables Establishing Environmental Impact Assessment and …ecofish-project.com/wp-content/uploads/2018/12/D2.1.pdf · is a toxic metabolic product excreted by the fish, into

645691 ‐ ECOFISH Project MSCA‐RISE‐2014: Marie Sklodowska‐Curie 

153. Troell M, Joyce A, Chopin T, Neori A, Buschmann AH, Fang JG (2009) Ecological engineering 

in aquaculture‐potential for integrated multi‐trophic aquaculture (IMTA) in marine offshore 

systems. Aquaculture 297:1–9 

154. Troell, M. & J. Norberg. 1998. Modeling output and retention of suspended solids  in an 

integrated salmon‐mussel culture. Ecol. Modell. 110:65–77. 

155. Troell, M., C. Halling, A. Neori, T. Chopin, A. H. Buschmann, N. Kautsky & C. Yarish. 2003. 

Integrated mariculture: asking the right questions. Aquaculture 226:69–90. 

156. Troell, M., N.  Kautsky & C.  Folke.  1999. Applicability  of  integrated  coastal  aquaculture 

systems. Ocean Coast. Manage. 42:63–69. 

157. Vaillant, N., Monnet, F., Sallanon, H., Coudret, A., and Hitmi, A., 2004. Use of commercial 

plant  species  in  a  hydroponic  system  to  treat  domestic wastewaters.  J.  Environ. Qual., 

Volume 33, 695–702 

158. Viadero, R. C., Cunningham,  J. H., Semmens, K.  J. and Tierney, A. E., 2005. Effluent and 

production impacts of flow through aquaculture operations in West Virginia. Aquacul. Eng., 

Volume 33, 258–270. 

159. Villarroe M., Alvariño J. M. R. and Duran J. M., 2011. Aquaponics: integrating fish feeding 

rates and ion waste production for strawberry hydroponics; Spanish Journal of Agricultural 

Research 9(2), 537‐545  

160. Wallace,  J. C. 1980. Growth  rates of different populations of  the edible mussel, Mytilus 

edulis, in north Norway. Aquaculture 19:303–311. 

161. Wang, D., 2001. Development and application of shellfish aquaculture technology. Journal 

of Oceanography of Huanghai and Bohai Seas 19, 78–81. 

162. Westerbom, M., M. Kilpi & O. Mustonen. 2002. Blue mussels, Mytilus edulis, at the edge of 

the range: population structure, growth and biomass along a salinity gradient in the north‐

eastern Baltic Sea. Mar. Biol. 140:991–999. 

163. Widdows, J., P. Fieth & C. M. Worrall. 1979. Relationship between seston, available food 

and feeding activity in the common mussel Mytilus edulis. Mar. Biol. 50:195–207. 

164. Wren S. W., 1984. Comparison of hydroponic crop production techniques in a recirculating 

fish culture system. MSc thesis, Texas A&M University, Texas, USA,  

165. Wurts, W.  A.  2000.  Sustainable  aquaculture  in  the  twenty‐first  century.  Rev.  Fish.  Sci. 

8:141–150. 

166. Yang YF, Li CH, Nie XP, Tang DL, Chung IK (2004) Development of mariculture and its impacts 

in Chinese coastal waters. Rev Fish Biol Fish 14:1–10 

167. Yang, H., Wang,  J., Zhou, Y., Zhang, T., Wang, P., He, Y., Zhang, F., 2000. Comparison of 

efficiencies of different culture systems in the shallow sea along Yantai. Journal of Fishery 

Sciences of China 24, 140–145. 

168. Yang, H., Yuan, X., Zhou, Y., Mao, Y., Zhang, T., Liu, Y., 2005. Effects of body size and water 

temperature on food consumption and growth in the sea cucumber Apostichopus japonicus 

(Selenka) with special reference to aestivation. Aquaculture Research 36, 1085–1092. 

169. Yokoyama H (2013) Growth and food source of the sea cucumber Apostichopus japonicus 

cultured below fish cages — potential for integrated multi‐trophic aquaculture. Aquaculture 

372–375:28–38 

170. Yoshida, S., Kitano, M., Eguchi, H., 1997. Growth of lettuce plants (Lactuca sativa L.) under 

control of dissolved oxygen O2 concentration in hydroponics. Biotronics Volume 26, 39–45. 

Page 54: Deliverables Establishing Environmental Impact Assessment and …ecofish-project.com/wp-content/uploads/2018/12/D2.1.pdf · is a toxic metabolic product excreted by the fish, into

645691 ‐ ECOFISH Project MSCA‐RISE‐2014: Marie Sklodowska‐Curie 

171. Zhang JB, Kitazawa D (2015a) Numerical analysis of particulate organic waste diffusion in 

an  aquaculture  area  of  Gokasho  Bay,  Japan.  Mar  Pollut  Bull. 

doi:10.1016/j.marpolbul.2015.02.007 

172. Zhang JB, Kitazawa D, Yang C (2015b) A numerical modeling approach to support decision‐

making on design of integrated multi‐trophic aquaculture for efficiently mitigating aquatic 

waste. Mitig Adapt Strateg Glob Change. doi: 10.1007/s11027‐015‐9652‐1 

173. Zhou Y, Yang HS, Liu SL, Yuan XT, Mao YZ, Liu Y, Xu XL, Zhang FS (2006) Feeding and growth 

on bivalve biodeposits by the deposit feeder Stichopus japonicus Selenka (Echinodermata: 

Holothuroidea) co‐cultured in lantern nets. Aquaculture 256:510–520 

  

Improving fish health  

Due to the continued decrease of wild fish captures and to the increased fish requirements, 

aquaculture became the fastest growing food‐producing sector worldwide. Although aquaculture 

has continued to develop, is facing a number of problems due to diseases and other health issues 

causing big economic losses and undermining the sustainability of the aquaculture industry.  

  Mainly, fish are growth in intensive systems, so they are frequently exposed to a range of 

stressors such as handling, poor water quality,  food and  feeding  regimes, high stocking density, 

grading, starvation, diseases and parasite infestation, vaccinations, methods of slaughter, fasting, 

loading and transport and so on. 

Therefore, the recent expansion of intensive aquaculture practices led to a strong interest in 

understanding various diseases of fish, and the way of they can be treated or prevented. It has been 

demonstrated extensively that the occurrence of diseases  in farmed fish  is due to several factors 

related to the technology of growing and the variation of environmental conditions.  

  Lately,  there  is a  real  concern of authorities,  scientists, and  consumers  regarding animal 

health and welfare, both terrestrial and aquatic. However, the concept of animal welfare is difficult 

to define, because it is used in many different ways by people with a different background (Edward 

2012). According to Appleby et al 1997 and Duncan et al 1997, it refers to the quality of life or state 

of well‐being, i.e. the physical and mental state of the animal in relation to the enviroment.  

Although  fish welfare  and health  are quite  appropriate,  an  approach based only on  the 

health  of  fish  is  unrealistic  disregarding  all  components  welfare.  For  example,  poor  welfare 

condition in the growing system can affect the health status of fish and favors spreading disease and 

implicit a bad welfare state.  

For aquaculture, the term of "health"  is often correlated with disease absence. In the  last 

years, aquaculture sector had awarded a big  importance on  the prevention diseases. Disease  in 

aquaculture has become a primary constraint, impeding both economic and social development in 

many  countries.  This  situation  can  be  attributed  to  a  variety  of  multifaceted  and  highly 

interconnected factors, such as (Fish State 2010): 

the increased globalization of trade in live aquatic animals and their products; 

the intensification of aquaculture through the translocation of broodstock, post larvae, fry, 

and fingerlings; 

Page 55: Deliverables Establishing Environmental Impact Assessment and …ecofish-project.com/wp-content/uploads/2018/12/D2.1.pdf · is a toxic metabolic product excreted by the fish, into

645691 ‐ ECOFISH Project MSCA‐RISE‐2014: Marie Sklodowska‐Curie 

the introduction of new species for aquaculture and fisheries enhancement; 

the development and expansion of the ornamental fish trade; 

the enhancement of marine and coastal areas through stocking aquatic animals raised  in 

hatcheries; 

unanticipated negative interactions between cultured and wild fish populations; 

poor or effective biosecurity measures; 

slow awareness on emerging diseases; 

the misunderstanding and misuse of specific pathogen‐free (SPF) stocks (e.g. shrimp); 

climate change, and  

all other human‐mediated movements of aquaculture commodities. 

  Stress in farmed fish has an important significance to both welfare and productivity as it has 

been  linked  to a  reduction  in growth, abnormal behavior, and  immunodepression  (Wedemeyer, 

1996; Ashley, 2007). The “stress” term is defined as all non‐specific reactions triggered by the body 

when it goes from a normal physiological state to one abnormal. The stress response is considered 

an adaptive mechanism that allows the fish body to perceive and react to stressors for maintaining 

normal  physiological  balance.  If  the  intensity  of  stress  factors  is  pronounced  or  lasts  too  long 

hemostatic  response  is  reduced,  favoring  deterioration  of  vital  signs,  physiological  response 

mechanisms are compromised,  leading  to  the occurrence of  the disease and even  fish mortality 

(appear loss of appetite, impaired growth and muscle wasting, immunosuppression and suppressed 

reproduction). 

  As a response to the action of stressors factors, the fish body suffers a series of physiological 

and biochemical changes in order to face the stress factors. If the action is short, stress is acute and 

allows the body fish respond to stressors and to return to a normal physiologically state, while if the 

action  is  in the  long term appears more severe effects of chronic stress. So, under conditions of 

stress,  the  body  of  the  fish  emits  immediate  responses  recognized  as  primary,  secondary  and 

tertiary responses (Figure 1). 

The primary response is the perception of an altered state of the central nervous system and 

the release of the stress hormones, cortisol and catecholamines (adrenaline and epinephrine) into 

the bloodstream by the endocrine system (Randall & Perry 1992).  Secondary responses occur as a 

consequence of the release stress hormones, causing changes  in the blood and tissue chemistry, 

e.g. an increase of plasma glucose. In tertiary response appear behavior modification, the slowdown 

in growth and development, metabolic activity, reproductive capacity, impaired immune function 

and  decrease  resistance  to  disease,  however  claiming  the  being  with  decreased  survival  rate 

(Schreck et al 1997; Pickering A.D 1998; Conte FS et al 2004). The primary stress‐induced hormone 

produced and released is represented by cortisol which can suppress the immune system and lead 

to fish mortality (Huntingford FA et al 2006). 

  Some authors (Barton, 2002; Ortuno et al 2002), studied the blood corticosteroid levels as 

ban  indicators of stress because the extreme sensitivity of the hypothalamic–pituitary‐interrenal 

(HPI)  axis.  Prolonged  stress  conducted  to  activation  of HPI  axis,  continuously  or  for  prolonged 

periods, resulting in a chronically extended stress response. According to Wenderlaar‐Bonga, 1997, 

cortisol represents the main glucocorticoid  in fish and the end‐product of the HPI axis activation. 

Page 56: Deliverables Establishing Environmental Impact Assessment and …ecofish-project.com/wp-content/uploads/2018/12/D2.1.pdf · is a toxic metabolic product excreted by the fish, into

645691 ‐ ECOFISH Project MSCA‐RISE‐2014: Marie Sklodowska‐Curie 

Elevation of corticosteroid plasma levels is one of the most evolutionary conserved stress responses 

and  it  is  commonly  used  as  an  indicator  of  the  degree  of  stress  experienced. Also,  behavioral 

modification appears,  like reduction of feed appetite, changes  in  levels of activity and swimming 

performance. 

 Figure 1. Primary, secondary and tertiary responses. 

 

  According to FAWC, 1996 ensuring the welfare of fish biomass can be done by respecting the 

rights of fish, known as the ”five freedoms” (Table 1). 

 

Table 1. The five Freedoms of Animal welfare (FAWC, 1996) and the indicators used to assess welfare 

impairment 

Five freedoms of animal welfare  Indicators

Freedom from hunger and thirst  Feed intake, growth rate, condition factor 

Freedom from discomfort Physical  damage,  fin condition,  cataracts,  lesions,  immune responses  (e.g.  lysozyme  activity,  respiratory  burst,  phagocytic activity) 

Freedom from pain, injury or disease  Environmental  monitoring:  water  quality  monitoring, ammonia, pH, carbon dioxide, suspended solids)  Target  sampling  of  fish:  gill  condition,  checking  for  parasite infestation 

Freedom to express normal behavior  Abnormal  behavior:  swimming  and  feeding  behavior, distribution  of  the  fish  within  a  system  (e.g.  clumping  around inflows),responses of fish to an approaching farmer 

Freedom from fear and distress  Measuring  primary  and  secondary  stress  response:  plasma cortisol, glucose, lactate, muscular activity. 

 

Page 57: Deliverables Establishing Environmental Impact Assessment and …ecofish-project.com/wp-content/uploads/2018/12/D2.1.pdf · is a toxic metabolic product excreted by the fish, into

645691 ‐ ECOFISH Project MSCA‐RISE‐2014: Marie Sklodowska‐Curie 

  According to Iwama et al 2006, fishes are exposed to stressors in nature as well as in artificial 

conditions such as  in aquaculture or  in the  laboratory.  In  intensive rearing  fish are exposed to a 

regime  of  acute  and  chronic  stressors,  which  have  adverse  effects  on  growth,  reproduction, 

immunocompetence, and  flesh quality  (Barton et al 1987; Maule et al 1989; Shreck et al 2001). 

These stressors, which are peculiar to fish in aquaculture range from chemical, biological, physical 

and procedural. The most common way  that  induced stress  in  fish are  represented by  the daily 

management operation (Table 2). 

Table 2. Stressors common in intensive aquaculture according to Field Survey (2007) 

Stressors Occurrence 

(%) 

Chemical stressors

Poor water quality (Low DO., improper pH)  20

Pollution‐ intentional pollution: efficient, wastes, sewage;‐accidental pollution: spills: insecticide, pesticide 

10

Diet composition imbalance diet  10

Nitrogenous and other metabolic wastes (i.e accumulation of ammonia or nitrite)35 

Biological stressors

Stocking density / over crowding  5

Social dominance  1

Micro organisms–pathogenic and nonpathogenic 2

Macro organisms‐internal and external parasites  2

Physical stressors

Temperature  1

Light   1

Sounds  0

Dissolved Gases  1

Procedural stressors

Handling   3

Transportation   5

Sorting/Grading   3

Disease Treatments  1

 

  Generally,  in fish farming, fish health and welfare are dependent on a good management 

which depends on the knowledge of the echo‐technological requirements of the growth species. 

Also, it is important and necessary early detection of the abnormal situation which may occur in fish 

growth in order to remove them or to limit their action. 

  As we mention before on fish health can action chemical, biological, physical and procedural 

stressors.  

  Chemical and physiological stressors.  

  Between the main chemical stressors, a big importance is attributed to chemical conditions 

of the water and fish diet. 

Water  quality.  Water  quality  parameters  are  unavoidable  in  fish  health  assessment, 

considering its influence on health condition, productivity and fish behavior, described in papers by 

Svobodova  et  al  (1993), MacIntyre  (2008)  and Dulić  et  al.  (2010). Because  fish  are  in  constant 

interaction with their environment through the gills and skin, therefore, maintaining a good water 

quality is crucial for their health and welfare (Bianca, 2009). 

Page 58: Deliverables Establishing Environmental Impact Assessment and …ecofish-project.com/wp-content/uploads/2018/12/D2.1.pdf · is a toxic metabolic product excreted by the fish, into

645691 ‐ ECOFISH Project MSCA‐RISE‐2014: Marie Sklodowska‐Curie 

  Fish  biomass,  from  both  the  natural  environment  and  growth  in  other  systems,  can  be 

affected by a number of physical and chemical agents. If these factors registered abnormal values 

can determinate physiological and metabolic disturbance, becoming harmful for fish health (Table 

3). 

Table 3. Effects of the main physicochemical parameters of water on fish health 

Parameter    Effects on fish health References

  pH  Low  Fish produce an increased amount of mucus on the skin and on the inner side of the gill covers. 

Zdenka Svobodova et al 1993   

High  Damage  to  fish  tissues,  especially  the  gills,  and hemorrhages may occur in the gills and on the lower part of the body. 

Temperature  When  the  temperature  is  changing  suddenly  fish  can  die,  showing symptoms of paralysis of the respiratory and cardiac muscles. 

Zdenka Svobodova et al 1993 

Suboptimal temperature 

The  decrease of  basal metabolism, metabolic  activity, oxygen  consumption,  respiratory  rate, Gills absorption and penetration of toxins, pathological risks. 

Zdenka Svobodova et al 1993 Munteanuand Bogatu, 2003 

Supra‐ optimal temperature 

High metabolism,  a  decrease of metabolic  activity,  a higher  oxygen  consumption,  respiratory  rate  and  gills absorption and penetration of toxins. 

Dissolved oxygen 

Oxygen deficiency 

Fish asphyxiation, loose appetite, a very pale skin colour, congestion of the cyanotic blood in the gills, adherence of the gill lamellae, and small haemorrhages in the front of  the ocular  cavity and  in  the  skin of  the gill  covers., collect near  the water surface, gasp  for air  (cyprinids), gather at  the  inflow  to ponds where  the oxygen  levels are higher, fail to react to irritation, lose their ability to escape capture and ultimately die. 

Zdenka Svobodova et al 1993 Munteanuand Bogatu, 2003 

Oxygen excess  Gills  of  such  affected  fish  have  a  conspicous light  red color and the ends of the gill lamellae fray, can apperar bubble gas disease 

Zdenka Svobodova et al 1993 Munteanuand Bogatu, 2003 

Ammonia  Slight restlessness, and increased respiration; the fish congregate close to the water surface, their restlessness increases with rapid movements and respiration  becomes  irregular;  then  follows  a  stage  of  intense  activity, they lose their balance, leap out of the water, and their muscles twitch in spasms; affected fish lie on their side and spasmodically open wide their mouths and gill opercula; finally, they lose their balance, leap out of the water, and their muscles twitch in spasms. Affected fish lies on their side and spasmodically open wide their mouths and gill opercula. The  gills  are  heavily  congested  and  contain  a  considerable  amount  of mucus; fish exposed to high ammonia concentrations may have slight to severe bleeding of the gills.  Intense mucus production can be observed on  the  inner  side of  the gill opercula, mainly at  the posterior end. The organs  inside  the  body  cavity  are  congested  and parenchymatous  and show dystrophic changes. 

Zdenka Svobodova et al 1993  

 

  Water with  a  bad  quality  not  necessarily  lead  to  fish mortality,  but  can  lead  to  a weak 

utilization of  food, being directly responsible  for  fish health and survival. Poor water quality can 

cause  allocation  of  energy  for  secondary  physiological  processes,  nonessential  (growth, 

reproduction) in the primary process, essential (metabolism or resistance function). The sublethal 

Page 59: Deliverables Establishing Environmental Impact Assessment and …ecofish-project.com/wp-content/uploads/2018/12/D2.1.pdf · is a toxic metabolic product excreted by the fish, into

645691 ‐ ECOFISH Project MSCA‐RISE‐2014: Marie Sklodowska‐Curie 

effects  of  poor  water  quality  are  also  commonly  associated  with  the  increase  in  disease 

susceptibility. That's why maintaining a good water quality it is important for raising fish in order to 

maintain a good health. 

  According to Relic et al., 2010, the  level of fish welfare  in one environment  is considered 

satisfactory  if  the  values  of  the water  quality  parameters  do  not  deviate  from  optimal.  Also, 

according  to  a  review  published  in  the  OIE`s  Animal  Welfare,  failure  to  provide  the  ideal 

environment result in stress, distress, impaired health and mortality (Håstein T, Scarfe AD, and Lund 

VL. 2005).  

In table 4 is presented the water quality criteria for Aquaculture (after Meade, 1991; Piper 

et al. 1982; Lawson, 1995). Influence of physical and chemical parameters is different on the species 

of  fish,  but  a  particular  importance  is  attributed  to  water  temperature,  the  concentration  of 

dissolved oxygen, as well as the amount of free ammonia, e.g. nitrogen compounds, which are toxic 

to fish. 

Table 4.  Water quality criteria for aquaculture, according to Meade, 1991; Piper et al 1982; Lawson, 

1995 

Parameter  Concentration (mg/L)

Alkalinity  (as CaCO3)  50–300

Aluminum  (Al)  <0.01

Ammonia  (NH3‐N unionized) <0.0125 (Salmonids)

Ammonia  (TAN) Cool‐water fish  <1.0

Ammonia  (TAN) Warm‐water fish  <3.0

Calcium  (Ca)  4–160

Carbon Dioxide  (CO2)   

      Tolerant Species (tilapia) <60  

      Sensitive Species (salmonids)  <20

Chlorine  (Cl)  <0.003

Hardness, Total  (as CaCO3)  >100

Hydrogen cyanide  (HCN)  <0.005

Hydrogen sulfide  (H2S)  <0.002

Iron  (Fe)  <0.15

Lead  (Pb)  <0.02

Magnesium  (Mg)  <15

Manganese  (Mn)  <0.01

Mercury  (Hg)  <0.02

Nitrogen  (N2)  <110% total gas pressure

  <103 % as nitrogen gas

Nitrite  (NO2)  <1, 0.1 in soft water

Nitrate  (NO3)  0–400 or higher

Nickel  (Ni)  <0.1

Oxygen Dissolved  (DO)  >5  

Ozone  (O3)  <0.005

pH  6.5–8.5

Phosphorous  (P)  0.01–3.0

Potassium  (K)  <5 

Salinity  depends on salt or fresh species

Sulfate  (SO4)  <50

Total dissolved solids  (TDS)  <400 (site specific and species specific; use as a rough guideline)

Total suspended solids  (TSS) <80

 

Page 60: Deliverables Establishing Environmental Impact Assessment and …ecofish-project.com/wp-content/uploads/2018/12/D2.1.pdf · is a toxic metabolic product excreted by the fish, into

645691 ‐ ECOFISH Project MSCA‐RISE‐2014: Marie Sklodowska‐Curie 

Temperature, represent one of the essential factors of the environment of aquatic life that 

influence the development of critical processes of fish. Fish are poikilothermic organisms, whose 

temperature is approximately equal to that of the environment where they live. Also, a big attention 

must be accorded when the water temperature increase, to the concentration of oxygen dissolved 

because the oxygen dissolved capacity is inversely proportional to temperature. 

Temperature  increase  may  influence  hormonal  control  of  growth  through  the  stress 

hormone  cortisol.  There  are  few  studies who  suggest  that  continuous  exposure  to  an elevated 

temperature can make the fish sterile and/or sexually incompetent (Strüssmann et al 1998; Majhi 

et al 2009) and even causes swimming disability (MacNutt et al 2004). Water temperature also has 

a great  influence on the disease appearance. According to Roberts 1975,  increasing temperature 

grow  the  potential  of  infectiousness  of  many  pathogens  and  the  toxicity  of  many  dissolved 

contaminants (Wedemeyer, 1996).  

Thermal stress appears when water temperature exceeds the optimal physiological of the 

species, this initiating changes that disturb normal physiological functions, resulting in depletion of 

energy the body's response to stress or even appear of morality. Additional costs due to metabolic 

response to thermal stress as a consequence, have impaired growth and immune system defenses. 

Thermal stress is responsible for compartmental disturbance, consisting of sudden movements of 

fish, lose their equilibrium in swimming, refuse food and appear digestive disorders.  

The indirect effect of temperature on fish health is manifested by: 

Conditioning water quality parameter  values  at which  the  fish  are  very  sensitive,  such  as 

oxygen content, dissociated ammonia, lethal doses of toxins, etc. 

Stimulate multiplication of bio‐aggressors. 

Oxygen Dissolved (DO) represents one of the most important parameters from aquaculture. 

The  necessary  quantity  of  oxygen  depends  on  fish  species,  fish  size,  feeding  intensity,  water 

temperature, pH, and salinity. In the management of intensive systems, it is important to maintain 

an optimal concentration of DO.  

Maintaining fish at the interval limits of admissibility, lead to low growth performance and 

as a secondary consequence appearance of diseases. Low concentration of DO can become a lethal 

factor  for  fish  even  when  the  deficit  lasts  even  for  short  periods  (some  minutes).  In  low 

concentration  of DO  fish  shows  anorexia  gets  crowded in places where  the  current  is stronger, 

breath at the water surface, they tend to  leave the unfavorable environment. Major pathological 

changes  that  occur  in  the  fish  body  affected  by  oxygen  deficiency  in  the  water  are  skin 

discolorations, congestion to the cyanosis of the gills, erosion of gills, and the appearance of small 

bleeding  in  the  anterior  chamber  of  the  eye  on  the  fish  skin  (Munteanu G  2003). Also,  a  high 

concentration of DO in water can lead to fish paralysis. 

Oxygen requirements of fish vary depending on the species, carp being less exigent regarding 

the optimum concentration of DO  from water, a value between 6‐8 mg/L  is considered optimal; 

when this concentration is under the value of 1.5‐2 mg/L then appear hypoxia signs. 

Ammonia  is a toxic substance for fish.  In aquaculture systems ammonia  is present due to 

metabolic products, uneaten food and other organic substances found in the aerobic decomposition 

process. 

Page 61: Deliverables Establishing Environmental Impact Assessment and …ecofish-project.com/wp-content/uploads/2018/12/D2.1.pdf · is a toxic metabolic product excreted by the fish, into

645691 ‐ ECOFISH Project MSCA‐RISE‐2014: Marie Sklodowska‐Curie 

Ammonia is very toxic for fish being acceptable in the maximum concentration of 0,05 mg/l 

for  carp.  For  fish,  unionized  ammonia  is  toxic  respiratory  and  nervous,  and  can  easily  enter  in 

tissue barriers. This it goes through the gill epithelium in the blood and has a harmful action on the 

nervous system of fish. A short exposition of high concentration of ammonia can cause an increase 

in gill ventilation, messy and fast swimming, lose of balance, or even fish mortality. 

Between the main physicochemical parameters of water, a big  importance  is accorded to 

water pollution with heavy metals.  The progress of  industries has  led  to  increased emission of 

pollutants  into  ecosystems  (Saleh  et  al  2010).  Water  pollution  with  heavy  metals  can  cause 

poisoning, diseases and even death for fish and the absorption and the accumulation of different 

biological tissues on pollutants are different.  

The most common heavy metals in aquaculture systems are copper, cadmium, lead and zinc. 

Accumulation of these metals in fish can have a serious consequence: affects organs, causing loss 

of  equilibrium,  increased  opercular movement,  irregular  vertical movements,  finally  leading  to 

death.  

  Nutritional factors. After physicochemical parameter of water, food is the most important 

factor, determining  the production costs and  the profitability of  fish  farming and environmental 

impacts. 

  As  the  intensive  aquaculture  development  takes  place,  besides  providing  environmental 

conditions for fish growth, a very  important technological aspect  it  is the achievement of a good 

feeding  management.  In  aquaculture,  nutrition  is  a  decisive  branch  because  food  represents 

between  40%  and  70%  of  production  costs.  Nutrition  is  actually  a  branch  of  physiology  that 

comprises a set of processes: food ingestion, absorption, digestion, nutrient metabolism, excretion 

and elimination of feces.  

  The  optimization  of  growth  performance  of  fishes  and  feed  efficiency  depends  on  the 

quantity of food delivered, feeding method and feeding frequency, quality and composition of the 

diet. Fish must receive adequate quantities of feed, which mainly depend on depending on size, age, 

and species or in function of the rearing systems. The use of species‐appropriate feeding techniques 

can  limit heterogeneous  growth within  a  group of  fish  and  thus  the need  for  frequent  grading 

(Brannas  et  al  2003).  Excessive  feeding  must  be  avoided  in  order  to  prevent  water  quality 

deterioration. 

  Also,  fish  food must  provide  their  necessary  nutrients  and  energy  for  growth  and  for 

essential physiological processes. Nutritional deficiency  signs usually  appear  gradually,  and  it  is 

difficult to detect clear signs in the early stages (Bureau D.P., and C.Y. Cho, 1999).  

  Fish feed must be balanced  in protein, fat, carbohydrates, vitamins, and minerals.  In fact, 

feed quality represents an  important aspect of  fish health  (Lim and Webster, 2001). The studies 

from the last `50 in fish nutrition emphasize the importance of proteins, amino acids, minerals but 

also the requirement of energy. Fish should be fed a high quality diet that meets their nutritional 

requirements depending on the species, age, and size and production function (Table 5). 

 According  to Santosh P.  Lall 2000, nutritional  status  is  considered one of  the  important 

factors  that determine the ability of  fish  to resist diseases Outbreaks of  fish diseases commonly 

occur when fish are stressed due to a variety of factors including poor nutrition. Administration of 

Page 62: Deliverables Establishing Environmental Impact Assessment and …ecofish-project.com/wp-content/uploads/2018/12/D2.1.pdf · is a toxic metabolic product excreted by the fish, into

645691 ‐ ECOFISH Project MSCA‐RISE‐2014: Marie Sklodowska‐Curie 

improper feed for fish (qualitative and quantitative), mostly  increases the susceptibility of fish to 

infectious diseases. Feeding errors associated with unbalanced compositions or contamination with 

toxic  substances,  causing  nutritional  diseases,  compromise  immune  function  and  skeletal 

deformities appear (Lall and Lewis‐Mccrea 2007).  

  Feeding  errors, which  can  have  serious  consequences  on  fish  health,  consisting  of  the 

administration of feed with: 

Feed with a high  content of  lipids or  carbohydrates,  lead  to  fish overweight, due  to  the 

abnormal deposing of lipids on viscera and dorsal muscles; 

Deficiency of elements indispensable for growth (vitamins, minerals salts and amino acids) 

lead to anemia, atrophy or necrosis of organ tissues, body deformities; 

Toxic  products, which  comes  from  the  feed  spoilage  and  influence  negatively  nutrition 

efficiency; the most spread are mycotoxin which causes serious pathological diseases.  

 

Table 5. Dietary protein and energy levels resulting in highest growth rates in various fish species (% 

of dry diet) according to Tacon (1990), De Silva and Anderson (1995); Hassan et al. (1996) 

 

Biological stressors.  

 

  Stocking density. In intensive aquaculture fish are grown in high stocking densities, suffering 

a variety of welfare problems such as fin erosion, physical injuries, skeletal deformities, increasing 

susceptibility to disease and mortality. 

  In aquaculture, stocking density represents the concentration at which fish are stocked into 

a system (Cristea et al 2002). In intensive systems, growing fish in high densities represents a way 

to optimize productivity and profitability of commercial fish farms (North et al 2006). It is important 

a careful evaluation of all the risks involved in choosing high stocking densities because the practice 

of inadequate densities can affect fish leading to negative consequences on long‐term. It has been 

proven that rearing fish at inappropriate stocking densities may impair the growth and reduce fish 

immunity. 

  Mainly, in the calculation of optimal stocking density for a production system, it is important 

to  take  into consideration  the carrying capacity of  the holding environment and  the spatial and 

behavioral needs of the species. Carrying capacity refers to the maximum number of fish that an 

environment  can  support  through  oxygen  supply  and  removal  of metabolic waste  and will  be 

determined by, amongst other things, the oxygen consumption rate of the fish and their response 

to metabolic waste products such as CO2 and ammonia (Ellis 2001).   

Species  Crude dietary protein (%) 

Gross dietary energy(kj/g) 

Rainbow trout (Oncorhynchus mykiss)  40‐45 19.1‐20.8 

African catfish (Clarias gariepinus)   40‐45 18.6 

Asian catfish (Clarias batrachus)   30‐35 17.2 

Channel catfish (Ictalurus punctatus)   35‐40 11.5‐16.9 

Common carp (Cyprinus carpio)   31‐40.6 12.8‐22.7 

Grass carp (Ctehopharyngodon idella) fry  41‐43 ‐ 

Grass carp (Ctehopharyngodon idella) fingerling 23‐28 ‐ 

Page 63: Deliverables Establishing Environmental Impact Assessment and …ecofish-project.com/wp-content/uploads/2018/12/D2.1.pdf · is a toxic metabolic product excreted by the fish, into

645691 ‐ ECOFISH Project MSCA‐RISE‐2014: Marie Sklodowska‐Curie 

  The mechanisms  by  which  stocking  density  affects  the  growth  and  feed  efficiency  are 

controversial. Most authors affirm that the high stocking density represents a stressful factor for 

fish (Fagerlund et al 1981; Pickering et al 1987; Vijayan et al 1988; Docan et al 2011) and, as a result 

of the physiological stress‐induced effects are responsible  for the adverse effects on the growth 

performance. But, there are situations, when is recommended to grow fish in high densities, mainly 

because aggressive behaviors is diminished (Wedemeyer GA. 1997). 

  Usually,  stress  response  in  fish  is  evaluated  by  measuring  levels  of  biochemical, 

hematological parameters in the blood, as well as growth and feeding parameters. Under the action 

of stress‐density was observed increases in hematocrit, hemoglobin concentration and the number 

of  red blood cells, suggesting a strategy  to  increase  the ability  to  transport oxygen  in  the blood 

during exhausting periods of metabolically.  

  Many  authors  (Vijayan  and Moon,  1992;  Biron  and  Benefey1994;  Trenzado  et  al  2003) 

reported at fish which is grown in high densities, a temporary increase of blood glucose or of cortisol. 

Ruane et al 2003 observed at carp an increase of cortisol values at high stocking densities (2.6 kg l−1 

min). Also, Wei Dai et al., 2011, observed a decreased of African catfish welfare at densities between 

35 kg m‐3 and 65 kg m‐3 treatments.  

  Another consequence of practicing of high  stocking density  is  the deterioration of water 

quality.  Theoretically,  increasing  stocking  density  leads  to  degradation  of water  quality  due  to 

respiration and metabolic processes of many  fish per water  volume  (Björnsson and Ólafsdóttir, 

2006, Ellis et al 2002). 

  High  stocking  densities  favor  transmission  and  propagation  of  specific  pathogens.  The 

majority  of  disease  agents  are  present  in  soil  and water  and  under  normal  condition  fish  are 

protected by  their natural defense mechanisms. When  the stocking densities are  too high,  their 

natural disease defense can be affected, reducing the organism capacity to protect against disease. 

Fish disease prevention  it  is obtained assuring a good water quality management, nutrition, and 

sanitation. 

  However, it is not obvious how stocking density affects growth performance of fish. At high 

densities energy demands of fish increase and require that fish to cope with metabolic adjustments, 

such as changes of gluconeogenic and glycolytic activities. 

  Social dominance. Besides the interaction of fish with the chemical and physical factors, fish 

are in a permanent interaction with each other. These interactions are reflected in fish behavior and 

include social dominance, aggression, hierarchy, and competition (Wedemeyer G. 1996). Both in the 

wild and in controlled growth conditions, fish are in a permanent competition for food, space, and 

if these requirements are not unaccomplished can lead to serious consequences.  

  Intraspecific aggression is generally recognized as being common in many fish species. In fish 

groups stocked at low rearing densities, occurs formation of dominant hierarchies; a hierarchy can 

be defined as a serious of dominant groups, composed of  fish which  is on  the  top of hierarchy, 

followed by a number of subdominants.  

  Aggressive  behavior  is  used  by  fish  in  order  to  establish  their  territory  and  can  lead  to 

physical  injuries.  The  aggressive  behavior  can  be minimized  by  applying  a  good  technological 

Page 64: Deliverables Establishing Environmental Impact Assessment and …ecofish-project.com/wp-content/uploads/2018/12/D2.1.pdf · is a toxic metabolic product excreted by the fish, into

645691 ‐ ECOFISH Project MSCA‐RISE‐2014: Marie Sklodowska‐Curie 

management, such as choosing the suitable stocking densities or an increasing number of feeding 

satiation per day, graded and sorting fish to appropriate size classes or species. 

  Disease.  Stressful  conditions  such  as  high  stocking  density,  poor  water  quality,  and 

aggressive  interactions  could  predispose  cultured  fish  to  the  high  incidence  of  diseases  and 

parasites. Defining “disease state”  involves both natural causes and human activities  induced by 

anthropic activities (Figure 2). A biotope which can provide normal development of natural defense 

mechanisms  is  interposed  in  the way of pathogenic organisms or optional pathogenic with big 

changes of annihilation.    

 

Figure 2. Scheme of general etiology inducing potential natural causes and induced, and their 

interaction in the outbreak of disease at fish, according to Kinkelin P. et al 1985) 

 

In the recent years, many efforts were made by scientific and researchers to understand the 

epizootiology of  fish diseases and to  find treatments, vaccines or some measure to reduce their 

incidence. Control of many serious infectious diseases has been achieved through new medicines 

and vaccines, with real success in cases of bacterial diseases. 

 Lately,  several  vaccines  were  developed,  which  are  quite  efficient  for  bacterial  fish 

pathogens,  but  the  success  against  virus  disease  has  been more  limited.  Besides  the  fact  that 

appearance  of  the  disease  in  a  farm  affects  the  fish  health,  it  also  leads  to  water  quality 

Aquatic environment Physical factors :  Physical properties of water 

(temperatrure, turbidity, pH, etc)  Radiation   Trauma 

Chemical factors:  Chemical  properties  of water  (acidity. 

alkalinity,  gas  solvit,  nitrogenous substances, toxic substances) 

Feed 

Bio aggressors (Viruses, bacteria, fungi, algae, animal parasites) 

Pollution ‐Techonogical management  (density, feeding intensity, manipulation, handling, transportation, treatments) 

Biological p

opulatio

ns, clim

atic, natu

ral causes

Technology (Transferring fish which carriers bio‐aggressors 

carriers, bad biosecurity) 

Fish Function of:  Relation  (skeletal, muscles, nervous system)  Nutrition  (digestion, circulation,  respiration, excretion)  Reproduction  Alarm and defense (stress, immunity) 

DISEASE

Page 65: Deliverables Establishing Environmental Impact Assessment and …ecofish-project.com/wp-content/uploads/2018/12/D2.1.pdf · is a toxic metabolic product excreted by the fish, into

645691 ‐ ECOFISH Project MSCA‐RISE‐2014: Marie Sklodowska‐Curie 

deterioration, reducing fish growth, implicit the decrease of the productivity and the acceptability 

of fish on the market. 

However, fish disease eradication remains a current problem, so it is permanently necessary 

to found new solutions. 

 

MEASURE TO IMPROVE FISH HEALTH 

For a good health condition of  fish  raised  in aquaculture,  it  is essential  to  remove stress 

factors by adopting good management strategies, according to requirements of the  fish species. 

Strategies to reduce disease susceptibility, minimize stress responses, and avoid aggression are very 

important.  Stressors that appear insignificant may have cumulative and long‐term effects on fish 

health (Schreck, 2000). 

According to Whay  2007, there are 3 suggested stages in the process of improving the welfare 

of farmed fish: 

1)  assessment of welfare; 

2) identification of risk factors;  

3) interventions in response to the risk factors. 

It is very important developing a health management plan, for all fish farms, representing a 

critical part of a successful aquaculture business. Maintaining fish as healthy as possible means a 

careful isolation of pathogens already present, and/or minimizing the spread of pathogens within 

or between farms. Also, it is important a permanently monitoring of fish for disease signs, visible 

lesions  and  to  analyze  their  behavior.  Fish  which  shows  signs  of  disease must  be moved  to 

quarantine or discarded to protect the entire fish population.  

Fish should be kept at reasonable densities, depending on of the fish species, size, number, 

type of rearing unit and water quality/availability. The optimum stocking density must  take  into 

consideration  the  requirements of  fish  for  space,  their  social behavior,  feeding, production and 

health state. According to Broom 1986, 1991, maintaining a good physiological, immunological and 

behavioral  function means  that  fish organism  function well biologically, with  a  low‐stress  level, 

adequate growth, reproduction, and health. 

Also, feed quality represents an important aspect of fish health. In the last years, researchers' 

concerns about improving the health of fish brought into attention using natural immunostimulants, 

like prebiotics, probiotics or some medicinal plants.  

The first application of probiotics occurred in 1986, to test their ability to increase the growth 

of  fish. Later, probiotics were used  to  improve water quality and control of bacterial  infections, 

implicit fish health. It is widely accepted that probiotics can improve immunity and level of nutrition 

of fish culture by strengthening and restoring the natural balance of the body and,consequently, the 

fish become more  resistant  to  infectious diseases.  From  the  literature,  resulted  that probiotics 

administered at fish can be divided into a dominant group of Gram + bacteria (Lactobacillus species 

(LAB),  Bacillus  and  sour)  and  the  group  of  Gram  ‐  (several  strains  of  Aeromonas,  Vibrio, 

Pseudomonas and Enterobacteriaceae). All these bacteria vary greatly in how they action, including 

the ability to stimulate the immune system and therefore each probiotic, differ from one another 

by their functional role (Boyle şi al 2006; Pineiro şi Stanton, 2007). However, the use of probiotic 

Page 66: Deliverables Establishing Environmental Impact Assessment and …ecofish-project.com/wp-content/uploads/2018/12/D2.1.pdf · is a toxic metabolic product excreted by the fish, into

645691 ‐ ECOFISH Project MSCA‐RISE‐2014: Marie Sklodowska‐Curie 

must be made in controlled condition for maximum efficacy. This aspect supposes the knowing of 

the right feed formulation, ensuring that the environment is clean and safe for fish stocks and that 

general disease prevention mechanisms are in place. 

In order to replace the use of antibiotics in aquaculture, a special attention has been accorded 

on adding plants in fish feed. Plants were widely used in human and veterinary medicine, knowing 

their  beneficial  effects  on  health.  Among  their  effects may  be mentioned  immunostimulatory 

effects,  immunomodulatory,  bio,  antioxidant,  antimicrobial,  stimulating  effects  on  enzymatic 

equipment (Das et al 2002, Ji et al 2007).  

Also, an important advantage of the use of prebiotics, probiotics, and plants in aquaculture is 

that there are natural substances, without risk on fish health, human or environmental. 

Lately, there are increasing demand for improved aquatic animal biosecurity.The concept of 

biosecurity is relatively new in aquaculture, simple to understand, but sometimes can be difficult to 

put into practice. In aquaculture, biosecurity refers to the concept of applying appropriate measures 

to reduce the profitability of a biological organism or agent spreading to an individual, population 

or ecosystem, and to mitigate the adverse impact that may result  (Subasinghe et al 2006). 

 According to Roy P. E. Yanong, 2003, the goal of “biosecurity” is maintaining the “security” 

of  a  facility  with  respect  to  “biological”  organisms,  specifically  “pathogens”  (disease‐causing 

organisms) that can result in infectious disease (parasites, bacteria, viruses, and fungi). Biosecurity 

involves  following  strict management  protocols  to  prevent  specific  pathogens  from  entering  a 

system or reducing the numbers.  

Usually,  successful  fish  health management  is  correlated with  the  prevention  of  disease 

rather  than  treatment,  disease  outbreaks  being  a  significant  cause  of  the  economic  losses  in 

aquaculture.  

Prophylactic occurrence of diseases in aquaculture systems can be counteracted by applying 

strict measures: 

quarantined of fish about 2 weeks prior to transfer thereof to the rearing systems;  

ensuring an optimal feeding in terms of quality (nutritional components of the feed must be 

balanced and to ensure nutritional requirements) and quantity (poorly feed rations result in 

slowing or stopping the  fish growth and decreased  immune response against  factors and 

pathogens)  

taking  frequent water  samples  (chemical, microbiological)  and monitoring  physical  and 

chemical parameters;  

taking frequent fish samples for monitoring growth parameters; 

cleaning and disinfection of rearing units, auxiliary spaces, access roads, work equipment / 

work tools, equipment, laboratory equipment;  

a special attention must be awarded to space where the feed is stored, so the feed does not 

suffer biochemical degradation or  contamination with  some  chemical  substances, pests, 

rodents; ensure proper storage  (in a cool, dry  location) and usage  (follow manufacturers 

recommendations/expiration date) of manufactured feeds to prevent loss of nutrients and 

buildup of pathogens or toxins; 

Page 67: Deliverables Establishing Environmental Impact Assessment and …ecofish-project.com/wp-content/uploads/2018/12/D2.1.pdf · is a toxic metabolic product excreted by the fish, into

645691 ‐ ECOFISH Project MSCA‐RISE‐2014: Marie Sklodowska‐Curie 

acclimatization, ventilation and maintain optimal temperatures of air and water at  spaces 

where are located the growth systems; 

implementation of effective measures  for preventing and counteracting stress  factors on 

fish (light intensity, noise, frequent and improper handling of fish); 

limiting access of foreign persons and animals of any kind; 

maintaining proper sanitization disinfection strategies. 

Rearing fish in aquaculture systems suppose numerous welfare challenges.  

The development,  implementation, and management of appropriate production practices 

and facilities to ensure the well‐being of growing numbers of farmed fish are critical, as significant 

concerns with stress responses, water and environmental quality, stocking densities, disease and 

parasites,  selective breeding, genetic  selection and  transgenic manipulation, nutrition and  feed, 

external  impacts, crowding, handling, netting and grading, transport, and stunning and slaughter 

contribute  to decreased welfare. A good  stocking density  should  take  into  consideration  space, 

behaviour, feeding, production, health and normal biological expressions of the fish in culture. 

Mainly, the requirements for management of the health status of fish consisting exclude any 

possibility of entering of pathogens within the farming system, mandatory application of preventive 

measures on infectious and parasitic diseases, conducting effective treatments and energetic at the 

onset of diseases, respect for hygiene all process steps, mainly feeding and maintenance of optimal 

environmental conditions, particularly those on the organic load and ammonia and nitrite content. 

In the event of disease outbreak, mortalities should be removed immediately.  

 References 

1. Appleby M.C.& Hughes,B.O. 1997.  Introduction  In Animal Welfare  (Appleby, M.C.& Hughes, B.O. 

eds),ppxi‐xiii. Oxfordshire: CABI. 

2. Barton,  B.A.,  2002.  Stress  in  fishes  a  diversity  of  responses with  particular  reference  to 

changes in circulating corticosteroids. Integer. Comp. Biol. 42, 517–525. 

3. Bianca, M.P., 2009. Farmed fish welfare‐suffering assessment and impact on product quality. 

J. Anim. Sci. 8, 139–160. 

4. Björnsson and Ólafsdóttir, 2006 B. Björnsson, S.R. Ólafsdóttir Effects of water quality and 

stocking density on growth performance of juvenile cod (Gadus morhua L.). ICES J Mar. Sci., 

63 (2006), pp. 326–334 

5. Broom, D.M. 1986 . Indicators of poor welfare. British Veterinary Journal , 142:524‐5246. 

6. Broom, D.M. 1991. Animal welfare: concepts and measurements. Journal of Agricultural and 

Environmental Ethics,6, Suppl.2:8‐14. 

7. Boyle RJ, Robins‐Browne RM, Tang M.L., 2006. Probiotic use in clinical practice: What are the 

risks? Am J Clin Nutr; 83:1256e64. 

8. Bureau, D.P. and C.Y. Cho. 1999. Nutrition and feeding of fish. OMNR Fish Culture Course, 

Unversity of Guelph, Guelph, Ontario, 21‐25 June 1999. 

9. BRANNAS E., JONSSONO S., LUNDQVIST H. 2003: Influence of food abundance on individual 

behaviour strategy and growth rate in juvenile brown trout (Salmo trutta). Canadian Journal 

of Zoology 81: 684–691. 

10. Conte FS. 2004. Stress and the welfare of cultured fish. Applied Animal Behaviour Science 86 

(3‐4):205‐ 23. 

Page 68: Deliverables Establishing Environmental Impact Assessment and …ecofish-project.com/wp-content/uploads/2018/12/D2.1.pdf · is a toxic metabolic product excreted by the fish, into

645691 ‐ ECOFISH Project MSCA‐RISE‐2014: Marie Sklodowska‐Curie 

11. Das B. K. Mukherjee S.C., Sahu B.B. and Murjani, 2002. Acute toxicity of neem Azadirachta 

indica in Indian major carp, J. Aquaculture Trop, 17 (1), 23‐33. 

12. Dulić, Z., Subakov‐Simić, G., Ćirić, M., Relić, R., Lakić, N., Stanković, M., Spasić, M., Marković, 

Z.  (2010): Water  quality  in  semi‐intensive  carp  production  system  using  three  different 

feeds. Bulgarian Journal of Agricultural Science 16:266‐274.  

13. De Silva SS, Anderson TA. Fish Nutrition in aquaculture. Chapman and Hall, London. 1995. 

14. Duncan I.J.H.& Fraser D. 1997. Understanding animal welfare. In animal welfare (Appleby, 

M.C.& Hughes, B.O. eds), pp. 19‐31. Oxfordshire: CABI. 

15. Edward N. Eadie 2012, Understanding Animal Welfare,   Volume 13 of  the  series Animal 

Welfare pp 1‐5.  

16. Ellis T., B. North, A.P. Scott, N.R. Bromage, M. Porter, D. Gadd The relationships between 

stocking density and welfare in farmed rainbow trout J. Fish Biol., 61 (2002), pp. 493–531 

17. Ellis T. (2001). What is stocking density. Trout News, CEFAS 32, 35–37 

18. Fagerlund U.H.M., McBride J.R.& Stone E.T. (1981).Stress‐related effects of hatchery rearing 

density on coho salmon. Transactions of the American Fisheries Society 110, 644‐649. 

19. Fish  State  http://www.thefishsite.com/articles/896/aquatic‐animal‐diseases‐and‐their‐

economic‐impact/ accesed 5.04.2016 

20. Hassan, MR; Ali MA; Akand AM, Ali, MM.Nutritional requirements of Indian major carp labeo 

rohita. Banglidog J. Aquacult 1996; 18: 24‐31. 

21. Huntingford FA, Adams C, Brainthwaite VA et al 2006, Current issues in fish welfare.Journal 

of Fish Biology 68(2):332‐372 

22. Håstein  T,  Scarfe AD.  and  Lund VL.  2005.  Science‐based  assessment  of welfare:  aquatic 

animals. Revue Scientifique et Technique‐Office International des Epizooties 24(2):529‐47 

23. Ji S.C. , Takaoka O. Jeong. G.S., Lee S. Lee S. W. Ishimaru K.Seoka M and Takii 2007, Dietary 

medicinal herbs improve growth and some non‐specific immunity of red sea bream Pagrus 

major, Fisheries Sci, 73 (1), 63‐69. 

24. Kinkelin P. Michael, C& Ghittino P. 1995, Precis de pathologie des poisons, p 16‐318, Institut 

National de la Recherche Agronomique Paris. 

25. Lall, S.P., 2000. Nutrition and health of fish. In: Cruz ‐Suárez, L.E., Ricque‐Marie, D., Tapia‐

Salazar, M., Olvera‐Novoa, M.A. Civera‐Cerecedo, R., (Eds.). Avances en Nutrición Acuícola 

V. Memorias del V Simposium Internacional de Nutrición Acuícola. 19‐22 Noviembre, 2000. 

Mérida, Yucatán, Mexico. 

26. LALL S.P., LEWIS‐MCCREA L.M. 2007: Role of nutrients in skeletal metabolism and pathology 

in fish, An overview. Aquaculture 267 (1‐4): 3‐19. 

27. M.A.R. Faruk, M.J. Alam, M.M.R. Saker and M.B Kabir , 2004, Status of fish disease and Health 

Management Practices in Rural Freshwater Aquaculture of Bangladesh, Pakistan Journal of 

Biological Sciences, Pakistan Journal Of Biological Sciences 7(12) 2092‐2098. 

28. MacIntyre, C.M.  (2008): Water quality and welfare assessment on United Kingdom  trout 

farms. Chapter 2. Influences of water quality on the welfare of farmed rainbow trout. PhD 

thesis. Institute of Aquaculture, University of Stirling, UK. 

29. Majhi, S.K., Das, A. and Mandal, B.K. 2006. Growth Performance of Organically Cultured 

Grass Carp C.  idella  (Val.) Under Mid‐hill Conditions of Meghalay a: North Eastern  India. 

Turkish Journal of Fisheries and Aquatic Sciences, 6: 105‐108. 

Page 69: Deliverables Establishing Environmental Impact Assessment and …ecofish-project.com/wp-content/uploads/2018/12/D2.1.pdf · is a toxic metabolic product excreted by the fish, into

645691 ‐ ECOFISH Project MSCA‐RISE‐2014: Marie Sklodowska‐Curie 

30. MacNutt, M.J., Hinch, S.G., Farrell, A.P. and Topp, S. 2004. The effect of temperature and 

acclimation 

31. Majhi S.K. and S.K. Das /Turk. J. Fish. Aquat. Sci. 13: 359‐365 (2013) 365 period on repeat 

swimming  performance  in  cutthroat  trout.  Journal  of  Fish  Biology,  65(2):  342–353.  doi: 

10.1111/j.0022‐1112.2004.00453. 

32. Neil M Ruane, Hans Komen Measuring cortisol in the water as an indicator of stress caused 

by increased loading density in common carp (Cyprinus carpio) Volume 218, Issues 1–4, 27 

March 2003, Pages 685–693. 

33. North  B.P.,  Elis  T.,  J.F.  Turnbull,  J.Davis.  N.R.  Bromage,  Stocking  density  practices  of 

commercial UK rainbow trout farms, Aquaculture 259 (2006) 260‐267. 

34. Pickering AD. 1998. Stress responses of  farmed  fish.  In: Black KD and Pickering AD  (eds.), 

Biology of Farmed Fish (Sheffield, U.K.: Sheffield Academic Press, pp. 222‐55). 

35. Pineiro M,  Stanton C., 2007. Probiotic bacteria:  legislative  framework e  requirements  to 

evidence basis. J Nutr; 137:850e3. 

36. Roy  P.  E.  Yanong,  Fish Health Management  Considerations  in  Recirculating  Aquaculture 

Systems—Part 1: Introduction and General Principles, Original publication date December 

2003.  Revised  August  2009.  Reviewed  October  2015.  Visit  the  EDIS  website  at 

http://edis.ifas.ufl.edu. 

37. Randall, D. J. & Perry, S. F. 1992. Catecholamine. In: Hoar, W. S., Randall, D. J., Farrell, T. P. 

(eds) Fish Physiology, Vol. XII, Academic Press, New York.  

38. RELIC R.R., HRISTOV S.V., VUCINIC M.M., POLEKSIC V.D., ZORAN Z., MARKOVIC Z.Z. 2010: 

Principles  of  fish welfare  assessment  in  farm  rearing  conditions.  Journal  of  Agricultural 

Sciences 55 (3): 273‐282 

39. Roberts  R.J  (1975)  The  effects  of  temperature  on  diseases  and  their  histopathological 

manifestations in fish.In W.E Ribelin & G. Migaki (Eds) The pathology of Fishes, pp 477‐96. 

University of Wisconsin Press, Wisconsin. 

40. Strüssmann, C.A., Sait, T.and Takashima, F. 1998. Heat induced germ cell deficiency in the 

teleosts Odontesthes bonariensis and Patagonina hatcheri.  Comparative Biochemistry and 

Physiology  Part  A:  Molecular  &  Integrative  Physiology,  119  (2):  637‐  644.  doi: 

10.1016/S1095‐6433(97)00477‐7. 

41. Svobodova, Z., Lloyd, R., Machova,  J., Vykusova, B.  (1993): Water quality and  fish health. 

EIFAC Technical Paper. No. 54. Rome, FAO, 1993, 59 pp. 

42. Saleh, T., S.S. Seyed, A.B. Gholamali, D. Atena and S. Mohammed, 2010. Heavy metals (Zn, 

Pb, Cd and Cr)  in  fish, water and sediments sampled  from southern Caspian Sea.  Iranian 

Toxicology and Industrial Health, 26(10): 649‐656. 

43. Subasinghe, R.P. and Bondad‐Reantaso, M.G. 2006. Biosecurity in Aquaculture: International 

Agreements and  Instruments, their Compliance, Prospects and Challenges  for Developing 

Countries,  pp.  9–16.  In  A.  David  Scarfe,  Cheng‐Sheng  Lee  and  Patricia  O’Bryen  (eds). 

Aquaculture Biosecurity: Prevention, Control  and  Eradication of Aquatic Animal Disease. 

Blackwell Publishing. 182p. 

44. Schreck CB, Olla BL, and Davis MW. 1997. Behavioral  responses  to  stress.  In:  Iwama GK, 

Pickering AD,  Sumpter  JP,  and  Schreck CB  (eds.),  Fish  Stress  and Health  in Aquaculture, 

Society for Experimental Biology, Seminar Series 62 (Cambridge, U.K.: Cambridge University 

Press, pp. 145‐70).  

Page 70: Deliverables Establishing Environmental Impact Assessment and …ecofish-project.com/wp-content/uploads/2018/12/D2.1.pdf · is a toxic metabolic product excreted by the fish, into

645691 ‐ ECOFISH Project MSCA‐RISE‐2014: Marie Sklodowska‐Curie 

45. Schreck, C.B., 2000. Accumulation and long‐term effects of stress in fish. In: Moberg, G.P., 

Mench, J.A. (Eds.), The Biology of Animal Stress: Basic Principles and Implications for Animal 

Welfare. CABI Publishing, CAB International, Oxon and New York, pp. 147–158. 

46. Tacon, AGJ. Feed  ingredient for crustaceans natural foods and processed feed stuffs. FAO 

Fisheries Circular 1994; 866:1‐67. 

47. Wenderlar Bonga S (1997) The stress response in fish. Physiol Rev 77: 591‐625. 

48. Wedemeyer GA. 1997. Effects of rearing conditions on the health and physiological quality 

of fish in intensive culture. In: Iwama GK, Pickering AD, Sumpter JP, and Schreck CB (eds.), 

Fish Stress and Health in Aquaculture, Society for Experimental Biology, Seminar Series 62 

(Cambridge, U.K.:Cambridge University Press, pp. 35‐71). 

49. Wei  Dai,  Xiaomei  Wang,  Yongjun  Guo,  Qian  Wang  and  Jinhong  Ma,  (2011)  Growth 

performance,  hematological  and  biochemical  responses  of  African  catfish  (Clarias 

gariepinus) reared at different stocking densities, African Journal of Agricultural Research 

Vol. 6(28), pp. 6177‐6182. 

50. Zdenka Svobodova, Richard Lloyd, Jana Machova, Blanka Vykusova, 1993, Water quality and 

fish health, EIFAC TECHNICAL PAPER 54, Published by Food And Agriculture Organization of 

the United Nations 

51. http://www.thefishsite.com/articles/896/aquatic‐animal‐diseases‐and‐their‐economic‐

impact/ 

52. http://agriculture.vic.gov.au/fisheries/aquaculture/murray‐cod‐aquaculture/fish‐health‐

management 

53. http://aquafind.com/articles/Health_Mangement_In_Aquaculture.php 

54. http://fishcount.org.uk/farmed‐fish‐welfare 

55. http://www.efsa.europa.eu/en/topics/topic/fishwelfare 

56. http://www.fisheries.no/aquaculture/Sustainability/Fish‐health‐and‐welfare‐in‐fish‐

farming/ 

 

Environmental Impact Assessment and Habitat Modification  

Fish  is considered a  food with a high nutritional value, providing an  important  source of 

protein and a wide variety of vitamins  (such as D and B2‐riboflavin), minerals  (iron, zinc,  iodine, 

magnesium, and potassium) and poly‐unsaturated omega‐3 fatty acids. According to FAO, Fisheries 

& Aquaculture Department, 2014, in 2010, fish accounted 16.7% of the global population’s intake 

of  animal  protein  and  6.5  %  of  all  protein  consumed.  Taking  into  consideration  that  world’s 

population keeps growing during next decades and global life standards, respectively animal protein 

need rises, fish demand will certainly growth. Because the wild fish captures are already exploited 

at maximum level, a large part of those new demands must be satisfied through aquaculture activity. 

As a result, aquaculture has generated a great interest from the international scientific community, 

supplying  the  concerns  regarding  the  increase  of  sustainability  and  profitability  by  different 

methods.  

Aquaculture  represents  the  farming  of  aquatic  organisms  including  fish,  mollusks, 

crustaceans  and  aquatic  plants.  According  to  the  Food  and  Agriculture  Organizations  (FAO), 

aquaculture is the fastest growing animal food sector in the world. (FAO, Fisheries & Aquaculture 

Page 71: Deliverables Establishing Environmental Impact Assessment and …ecofish-project.com/wp-content/uploads/2018/12/D2.1.pdf · is a toxic metabolic product excreted by the fish, into

645691 ‐ ECOFISH Project MSCA‐RISE‐2014: Marie Sklodowska‐Curie 

Department, 2014). In present, aquaculture supplies an estimated 49% of all fish that is consumed 

by humans globally (FAO, Fisheries & Aquaculture Department, 2014) and is expected to contribute 

to more than half of the global fish consumption till 2030 (NACA/FAO, 2000).  

Although aquaculture has many benefits (providing food and ensuring jobs for humans) a big 

concern which is facing it is represented by its environmental impact and water quality degradation. 

If this sector is not well managed we may experiencing some unreasonable phenomena such as: the 

random discharge of aquaculture waste water, the abuse of medical medicines, and the escaping of 

aquatic animals, (Guangjun et al., 2010), which have seriously influences on the environment.  

 

A.  Situation  of  Aquaculture  in  the  world  and  European  Union  (EU).  World  food  fish 

aquaculture production expanded  at  an  average  annual  rate of 6.2%  in  the period  2000–2012, 

slower than  in the periods 1980–1990 (10.8 %) and 1990–2000 (9.5 %). Between 1980 and 2012, 

world aquaculture production registered a slight increase with an average rate of 8.6 % per year. A 

record growth was reported for 2012 registering almost 90.4 million tonnes, including 66.6 million 

tonnes of food fish and 23.8 million tonnes of aquatic algae, being estimated for 2013 a production 

of  70.5 million  and  26.1 million  tonnes,  respectively  (Figure  1).  (FAO,  Fisheries &  Aquaculture 

Department, 2014). World per capita apparent fish consumption increased from an average of 9.9 

kg  in the 1960s to 17.0 kg  in the 2000s and 18.9 kg  in 2010, with preliminary estimates for 2012 

pointing towards further growth to 19.2 kg. (FAO, Fisheries & Aquaculture Department, 2014). 

Figure 1. World capture fisheries and aquaculture production (FAO, Fisheries & Aquaculture Department, 2014) 

Principally,  the  species  that  dominate  world  aquaculture  are  aquatic  plants,  shellfish, 

herbivorous fish and omnivorous fish. Also, a rapid  increase  is obvious for marine aquaculture of 

Page 72: Deliverables Establishing Environmental Impact Assessment and …ecofish-project.com/wp-content/uploads/2018/12/D2.1.pdf · is a toxic metabolic product excreted by the fish, into

645691 ‐ ECOFISH Project MSCA‐RISE‐2014: Marie Sklodowska‐Curie 

carnivorous  species,  especially  salmon  and  shrimp  and  other marine  finfish  (FAO,  Fisheries  & 

Aquaculture  Department  2014).  The  most  widespread  type  of  aquaculture  in  the  world  is 

represented by the farming of tilapias (in 2014, was expected to produce 4.5 mmt), followed by 

Catfish (was expected to produce 2.1 mmt for 2014) and Pangasius (was expected to produce 2.1 

mmt for 2014) (The Global magazine for farmed seafood, Volume 17, Issue 6, November/December 

2014). 

The global distribution of aquaculture production in all regions and countries with different 

levels of economic development remains unbalanced. Asia dominates this production, accounting 

for  88.39%  of world  aquaculture  production  in  2012,  this  being  determined  by  the  significant 

contribution of China. (FAO, Fisheries & Aquaculture Department 2014).  

Compared to world aquaculture production, which continues to rise, European aquaculture 

is in a period of stagnation. EU contributions to world aquaculture production has been decreasing 

significantly over time in both volume and value terms, representing only 1.9% and 3.5% of world 

production in 2012. According to Eurostat, aquaculture production by the European Union Member 

States was approximately 1.25 million tonnes of live weight in 2012, almost the same as in 2011. 

This represented a decline in aquaculture production of about 11% after the relative peak of 2000. 

(Eurostat, 2014).  

Mainly, the most valuable species produces in EU are Atlantic salmon, oysters, sea bream, 

sea bass and trout. The main species produced in freshwater is represented by trout. 

Also, carp is another important species mostly produced in Eastern Europe, where the main 

producer is Poland covering 39% in terms of total value. (FAO, Fisheries & Aquaculture Department, 

2014). 

The three largest aquaculture producers among EU Member States were Spain, the United 

Kingdom and France, which together accounted  for more than half  (54%) of the EU aquaculture 

production in 2012. (Eurostat, 2014). 

 

Aquaculture production systems. Aquaculture systems can be classified in extensive, semi‐

intensive,  intensive, or highly or superintensive depending upon the number of organisms grown 

per volume of water and the water source and supply. Extensive aquaculture is practised without 

feed  or  fertilizer  inputs.  In  semi‐intensive  aquaculture  fertilizers  can  be  added  to  increase  the 

natural productivity and the water quality can be improved using additional aeration. In intensive 

aquaculture high densities are practised using aeration, full feed and chemical supplements in order 

to promote the health of organism grown. In principal, freshwater aquaculture is practiced either in 

fish ponds, pens,  cages or, on  a  limited  scale,  in  rice paddies,  in high  flow‐through  tanks or  in 

recirculating aquaculture systems (RAS), brackish aquaculture is done mainly in fish ponds located 

in  coastal  areas  and marine  culture  employs  either  fish  cages  or  substrates  for mollusks  and 

seaweeds  such as  stakes,  ropes, and  rafts.  (FAO, Aquaculture Systems and Practices: a Selected 

Review, 1989).  

Pond  aquaculture.  Pond  aquaculture  represented  the  oldest  fish  farming  activity  and 

involves  maintaining  the  environmental  conditions  at  the  same  level  of  the  technological 

requirements of fishes.  In this systems fish are raised at  low densities, mainly because of  lack of 

Page 73: Deliverables Establishing Environmental Impact Assessment and …ecofish-project.com/wp-content/uploads/2018/12/D2.1.pdf · is a toxic metabolic product excreted by the fish, into

645691 ‐ ECOFISH Project MSCA‐RISE‐2014: Marie Sklodowska‐Curie 

additional feeding, fish feeding on aquatic animals reared strictly resulting from natural productivity 

and due  to  the difficulty  to control water quality. Usually,  in order  to  improve natural  food are 

applied  organic and inorganic fertilisers, which contribute to developing natural developing micro 

and macro flora, food that will support fish populations or other aquatic animals. Higher production 

can  be  obtained  in  condition  of  supplementary  feeding  and  higher  stocking  densities,  but  this 

supposes water aeration. According to SRAC (Publication No. 163/1997) in a pond without aeration 

it can be obtain from 226 kg to 680 kg of fish per 0.40 ha. Instead, in a pond with aeration it can be 

obtained around 1133 kg to 1814 kg of fish per 0.40 ha. To increase the profitability of these systems 

is indicated to combine both fertilizer and supplementary feeding. 

Between the main disadvantages of these systems we emphasize: require large volumes of 

water,  large  land/pond  area,  due  to  the  use  of  organic  and  inorganic  fertilisers  may  cause 

eutrophication  of  the waters,  incapacity  to  guarantee  the  safety  of  the  product  to  consumer, 

because ponds systems are open‐air there is always a risk of water contamination. But, according 

to Verdegem & Bosma (2009) if this systems succeed a better optimization of water consumption 

and  feed management  they could  triple production without  increasing  freshwater usage. That's 

why, to increase the economic efficiency of this systems it`s crucial to optimize water consumption, 

a  good  solution  being  the  integration  into  other  production  systems  and  also  applying  of  a 

production management focused on sustainability.  

Aquaculture  in  Raceway.  Raceway,  also  known  as  a flow‐through  system,  represents 

enclosed  systems which  are based on  the  continuous water  flowing  through  the  culture  tanks. 

Because  in these systems water enters at one end and flows through the raceway  in a plug flow 

manner, the best water quality exist only at the head of the tank, were the water enters, and then 

deteriorates  along  the  axis  of  the  raceway  toward  the  outlet  (Timmons  and  Ebeling,  2013).  In 

comparison with the ponds these systems have several advantages, as: higher stocking densities, 

improved water quality, feeding and harvesting are done more easily, less off flavour and an easier 

way to control disease problems. Fish metabolites are carried out with the effluent, while settleable 

particulate wastes can be collected by settling or less frequently by other means of filtration.  

Optionally, this type of systems can be integrated into agricultural production, a fraction of 

the waste process water used in the irrigation of different agricultural areas.  

Between the main environmental concerns of these systems we mention eutrophication as 

a main consequence of  increased nutrient  loadings  (faecal and uneaten  food waste),  the use of 

chemicals to control parasites and disease. Also, a big disadvantage of raceways  is related to the 

needs of constant flows of water with a high quality. 

Cages and Pens. Cages are boxes shaped enclosure which floats, is suspended, or sits on the 

bottom of a larger water body. Usually, the cages size varied from 1.0 m3 to 1,000 m3. Usually, pens 

are much larger and serve as enclosures to hold organism for grown. In pens organism have free 

access  to  the  bottom  within  the  enclosed  area.  Growing  and  production  of  farmed  aquatic 

organisms in caged enclosures has been a relatively recent aquaculture innovation. Primarily, these 

systems have been associated with  the culture of  salmonids, but due  to  the  rapid expansion of 

aquaculture  in  the  last 20  years  this  sector has  grown  very  rapidly. Generally,  cage  culture  are 

suitable for the growing of carnivorous species with a high economic value (Atlantic salmon, Coho 

Page 74: Deliverables Establishing Environmental Impact Assessment and …ecofish-project.com/wp-content/uploads/2018/12/D2.1.pdf · is a toxic metabolic product excreted by the fish, into

645691 ‐ ECOFISH Project MSCA‐RISE‐2014: Marie Sklodowska‐Curie 

salmon and Chinook salmon Japanese amberjack, red seabream, yellow croaker, European seabass, 

gilthead seabream, cobia, rainbow trout, Mandarin fish) (A.Tacon et al., 2007). 

The main advantages of cage culture are associated with the use of existing water and the 

fact  that doesn`t  require  land ownership,  the  related  capital  costs being quite  low making  this 

technology the most economical culture. Also, a big advantages it`s represented by the possibility 

to move into optimal rearing environments and sheltered areas. Between the disadvantages of the 

system we mention the fact that these systems are permanently exposed to foul weather conditions 

making impossible the controlling of physical‐chemical water and also the environmental impact on 

water  quality  generated  by  these  systems.  Also,  cage  cultures  are  vulnerable  to  poaching  and 

vandalism and to higher risks of fish escaping. (Sugiura et al., 2000, Tacon A. et al., 2007). 

Aquaculture in recirculating systems (RAS). Recirculating Aquaculture Systems are used for 

fish  farming or other aquatic organisms by  reusing  the water  in  the production by mechanical, 

biological chemical filtration sterilization, oxygenation and other treatment steps. That's why RAS 

systems represent an alternative to pond aquaculture due to low water consumption (Verdegem et 

al., 2006) better opportunities for waste management and recycling of nutrients (Piedrahita, 2003) 

and due to the easy way to control the spread of disease (Summerfelt et al., 2009; Tal et al., 2009). 

RAS are  intensive production  systems  than most other  types of  traditional aquaculture  systems 

(Timmons  and  Ebeling,  2013)  and  are  the most  compatible  with  environmental  sustainability 

(Martins et al., 2010), due  to  the production of  small quantities of wastes and of water  reuse. 

However,  the main  disadvantages  of  these  systems  are  high  capital  and  operational  costs  and 

requirements for very careful operational management. That's why this type of systems are justified 

only for growing high value species such as sturgeon, pike, perch, eel, catfish, tilapia, etc.  

 

B.  Impacts  of  aquaculture  on  environment.  Due  to  rapid  expansion  and  to  continued 

pressure on natural water resources, energy and feed, aquaculture can produce different impacts 

on the environment. Aquaculture can exert both positive impact and negative on the environment. 

Usually, the quality and quantity of waste from aquaculture as well as the environmental impacts 

of  aquaculture  vary with  farmed  species,  the management  practices  used  and  location  of  the 

production system but also on feed quality and management (feed composition, feed ration and 

feeding method). (Preston et al., 1997; Wang et al., 2005; Podemski C.L. and Blanchfield P.J., 2006). 

In table 1  is presented the main environmental  impacts of aquaculture depending on the 

culture system (extensive, semi‐intensive and intensive) and the benefits for producers, after Pullin 

(1993) modified by Bardach E. (1997). Among the major effects of aquaculture on the environment 

in this paper we refer to: 

Effluent discharges; 

Effects of other discharges from aquaculture (e.g. fertilizers, chemicals and medicines); 

Escapes from fish farms and potential effects on wild populations. 

Effluent discharges 

    Aquaculture effluents contain dissolved and suspended solids that have biochemical oxygen 

demand (BOD), ammonia and nutrients phosphorus (P) and nitrogen (N) that are derived from fish 

excretion,  faeces,  and  uneaten  feed,  and  specific  organic  or  inorganic  compounds  (i.e. 

Page 75: Deliverables Establishing Environmental Impact Assessment and …ecofish-project.com/wp-content/uploads/2018/12/D2.1.pdf · is a toxic metabolic product excreted by the fish, into

645691 ‐ ECOFISH Project MSCA‐RISE‐2014: Marie Sklodowska‐Curie 

therapeutants). (Figure 2). Between all these components a special attention  is directed towards 

nitrogen  and  phosphorus  which  are  considered  the  main  pollutants  of  intensive  aquaculture 

(Hakanson et al., 1998). These components are a real source of pollution and if they are developed 

at high  level  can  cause of eutrophication  (González et al., 2008),  resulting  in occurrence of  the 

harmful algal blooms (Pearl, 1997; Goldburg R. et al.,1997) and the depletion of oxygen due to the 

increase of microbial activities (Diaz, 2008). 

Figure 2. Suspended particle in an aquaculture system (after John S. Lucas, Paul C. Southgate, 2012) 

It is obviously that feeding is the main source of waste output from aquaculture, due to the 

high amounts  in fishmeal (FM) which  is rich  in P.  In fact, Ackefors, 1999 said that the content of 

phosphorus and nitrogen in the feed and the feed conversion rates are of importance in assessing 

environmental impacts of aquaculture. According to Jackson et al., 2003 and Schneider et al., 2005 

only 20% to the cultured organism  is retained as biomass, while the rest  is  incorporated  into the 

water  column  or  sediment. Moreover,  Pierhadrita,  (2003)  says  that  nitrogen  and  phosphorus 

retention range between 10‐49% and 17‐40% respectively, while from faeces N and P  is released 

from 3.6% to 35% and 15% to 70% respectively. Lastly, dissolved N and P excretions range from 37% 

to 70% respectively. Nowadays, modern aquaculture is based mostly on feeding of manufactured 

feeds (extruded pellets) reducing the phosphorus excretion.  For example, in  a diet for salmon, with 

40% protein, 30%  lipids, 13% carbohydrate   and a energy content of 19.2 MJ kg‐1,  the nitrogen 

content is around 7%, aspect which makes possible to use fat for energy (instead of protein) and  

excreted of smaller volumes of nitrogen compounds (Pillay, 2004). That`s why it is very important 

to known  the  ingredients  from  the  feeds and  to balance  these nutrient  in order  to  improve  the 

nutritional quality. Cho et al., (1991), says that the goal of aquaculture is to produce feed very well 

suited  to  the  nutritional  needs  of  the  fish  so  that  the maximum  growth  can  be  achieved with 

minimum waste, particularly phosphorus and nitrogen. So, a way to reduce P waste produced by 

Page 76: Deliverables Establishing Environmental Impact Assessment and …ecofish-project.com/wp-content/uploads/2018/12/D2.1.pdf · is a toxic metabolic product excreted by the fish, into

645691 ‐ ECOFISH Project MSCA‐RISE‐2014: Marie Sklodowska‐Curie 

aquaculture is to replace the fish meal (FM) with FM substitutes that contain lower P (Youssouf A. 

et al., 2012) without affecting the growth performance of fish. A possible alternative protein sources 

include animal proteins from rendering or slaughter, plant protein concentrates and novel proteins 

such as algae, yeast, dried distillers grains with soluble (DDGS) and insect meal (Ayoola A., 2010).  

Besides feed composition, others factor responsible for pollution effluent from aquaculture 

are the type of the culture systems and the practised stocking densities.  In general, the effluent 

resulting from aquaculture raceway is more polluted in comparison with ponds effluent and cages 

and pens, mainly because water passes quickly  through  raceways and dissolved and  suspended 

matter are flushed out. Generally, wastes emitted from cages and raceways are quickly diluted but 

also can generate changes in sediment structure and function (Beveridge M. et al., 1997). On the 

other hand effluent  from RAS  systems  it  is  around 10%  (daily water exchange) of  total  system 

volume per day, but RAS produce a concentrated waste. 

Another  important  issue which will  receive  increasing attention  is  the practiced  stocking 

densities. High  stocking densities  suppose  the  concentration of many organisms  in a  low water 

volume, increasing the waste productions and thus increasing the concentration of phosphorus and 

nitrogen compounds from water. Also, not all fish species have similar metabolism having different 

capacities to process energy and nutrients, and that`s why choosing the suitable species for growth 

and  the  suitable  grown  system  can  be  a  good  solution  to  protect  the  environment. Also,  as  a 

measure to reduce nutrient wastes, aquaculture effluents should be monitored and managed, to 

avoid or reduce any negative environmental impacts (Manoochehri et al,. 2010). 

 

Table  1.  Developing  country  Aquaculture  Systems:  Environmental  Impact  and  Benefits  for Producers, after Pullin 1993, modified by Bardach E, 1997.  

Culture System  Environmental Impact Benefits 

EXTENSIVE

Seaweed culture  May occupy formerly pristine reefs; rough weather losses; market competition; conflicts/failures, social disruption. 

Income; empolyment, foreign change. 

Coastal bivalve culture (mussels, oysters, clams, cockles) 

Public health risks and consumer resistance (microbial diseases, red tides, industrial pollution; rough weather losses; seed shortages; market competition especially for export produce; failures, social disruption. 

Income; emplyment, foreign change; directly improved nutrition. 

Coastal fishponds (mullets, milkfish, shrimps, tilapias) 

Destruction of ecosystems, especially mangroves; increasingly non‐competitive with more intensive systems; nonsustainable with high population growth; conflicts/failures, social disruption. 

Income; empolyment, foreign change; directly improved nutrition. 

Pen and cage culture in eutrophic waters and/or rich benthos (carps, catfish, milkfish tilapias) 

Exclusion of traditional fishermen; navigational hazards; conflicts, social disruption; management difficulties; wood consumption. 

Income; empolyment; improved nutrition 

SEMI‐INTENSIVE

Fresh‐ and brackishwater pond (shrimps and prawns, carps, catfish, milkfish, mullets, tilapias) 

Freshwater: health risks to farm workers from waterborne diseases. Brackishwater: salinization/acidification of soils/aquifers. Both: market competition, especially for export 

Income; empolyment, foreign change (shrimp and prawns); directly improved nutrition 

Page 77: Deliverables Establishing Environmental Impact Assessment and …ecofish-project.com/wp-content/uploads/2018/12/D2.1.pdf · is a toxic metabolic product excreted by the fish, into

645691 ‐ ECOFISH Project MSCA‐RISE‐2014: Marie Sklodowska‐Curie 

produce; feed and fertilizer availability/prices; conflicts/failures, social disruption. 

Integrated agriculture‐aquaculture (rice‐fish; livestock/poultry‐fish; vegetables ‐ fish and all combinations of these) 

As freshwater above, plus possible consumer resistance to excreta‐fed produce; competition from other users of inputs such as livestock excreta and cereal brans; toxic substances in livestock feeds (e.g., heavy metals) may accumulate in pond sediments and fish; pesticides may accumulate in fish. 

Income; empolyment; directly improved nutrition; synergistic interactions between crop, livestock, vegetable and fish components; recycling of on‐farm residues and other cheap resources. 

Sewage‐fish culture (waste treatment ponds; latrine wastes and septage used as pond inputs; fish cages in wastewater channels) 

Possible health risks to farm workers, fish processors and consumers; consumer resistance to produce. 

Income; empolyment, foreign change; directly improved nutrition; waste disposal liabilities turned into productive assets. 

Cage and pen culture, especially in eutrophic waters or on rich benthos (carps, catfish, milkfish, tilapias) 

As extensive cage and pen Systems above. Income; empolyment; improved nutrition 

INTENSIVE

Freshwater, brackishwater and marine ponds (shrimps; fish, especially carnivores ‐ catfish, snakeheads, groupers, sea bass, etc.) 

Effluents/drainage high in BOD and suspended solids; market competition, especially for export product; conflicts/failures, social disruption. 

Income; empolyment, foreign change. 

Freshwater, brackishwater and marine cage and pen culture (finfish, especially carnivores ‐groupers, sea bass, etc. ‐ but also some omnivores such as common carp) 

Accumulation of anoxic sediments below cages due to fecal and waste feed build‐up; market competition, especially for export produce; conflicts/failures, social disruption; consumption of wood and other materials. 

Income; employment, foreign change (high‐princed carnivores); a little emplyment. 

Other ‐ raceways, silos, tanks, etc. 

Effluents/drainage high in BOD and suspended solids; many location‐specific problems. 

Income; empolyment, foreign change; a litlle empolyment. 

 Effects of other discharges from aquaculture (e.g. fertilizers, chemicals and medicines).  

Besides the wastes, aquaculture effluents may contain chemicals  (fertilizers, disinfectants 

and chemotherapeutants pesticides, antibiotics). Usually, fertilizers are used in aquaculture ponds, 

in order to increase the primary productivity by stimulating the phytoplankton growth. For that, a 

very important aspect is to establish the needed doses. These doses may be determined only from 

the knowledge of the chemical composition of the water and the physical‐chemical characteristics 

of  its bottom. Generally,  in aquaculture are used organic  fertilizers or  inorganic  fertilizers, or a 

combination  of  both.  Inorganic  fertilizers  are  inorganic  compound  which  contain  nitrogen, 

phosphorus and potassium. However,  fertilizers whether they are artificial or organic, can cause 

serious problems if they contaminate water or are added in excess, contributing to the deterioration 

of water quality and implicit to discharged effluents.  

In  modern  aquaculture,  especially  in  high‐stocking  density  aquaculture,  to  prevent  diseases, 

eliminate harmful biota, disinfect and restrain polluted and damaged water, multiple chemicals and 

medicines are used (Okomoda V., 2011). (Table 2). In the lasts years the use of antibiotics has grown, 

even their use remains still controversial. 

Page 78: Deliverables Establishing Environmental Impact Assessment and …ecofish-project.com/wp-content/uploads/2018/12/D2.1.pdf · is a toxic metabolic product excreted by the fish, into

645691 ‐ ECOFISH Project MSCA‐RISE‐2014: Marie Sklodowska‐Curie 

Table 2. Chemicals commonly used in European Aquaculture after Fernandes et al., 2006. 

Chemicals in use  Different compounds Examples 

Antibiotics   

Oxytetracycline,  Florfenicol, Amoxicillin,  potentiated sulphonamides, Flumequine,  Oxolinic acid  

Chemicals associated with structural materials 

Stabilisers Pigments Antioxidants UV absorbants 

Flame retardantsFungicides Disinfectants 

Antifoulants on solid surfaces and on net and rope structures (i.e. cages) 

Soil and water treatments  

Alum EDTA Gypsum 

LimeZeolite  

Flocculants to reduce turbidity in ponds To remove ammonia 

Fertilisers   

Organic and inorganic  

To enhance production of natural food in ponds 

Disinfectants   

Chloramine T Formalin Hypochlorite  

IodophoresOzonation Quaternary ammonium compounds 

To maintain hygieneTo treat disease (little or no use in extensive systems) 

Antibacterial agents   

Β‐lactams Nitrofurans Macrolides Phenicols 

4‐QuinolonesRifampicin Sulphonamides Tetracyclines 

Prophylactic use 

Therapeutants other than antibacterials 

Acriflavine Copper compounds Dimetridazole/Metronidazole Formalin Glutaraldehyde Hydrogen peroxide 

LevamisoleMalachite green Methylene blue Noclosamide Potassium permanganate Trifluralin (Treflan) 

Antifungal agents Against Ectoparasites Protozoan infections Very specific and limited use, in general 

Pesticides   

Ammonia Azinphos ethyl (Gusathion) Carbaryl (Sevin) Dichlorvos Ivermectin (Ivomec) Nicotine (tobacco dust) 

OrganophosphatesOrganotin compounds Rotenone (derris root) Saponin (tea seed meal) Trichlorfon (Neguvon, Dipteres 

Control predators and snails in ponds Control ectoparasitic crustacean infections in finfish culture 

Herbicides/ Algaecides  Copper compounds (Aquatrine)  Very limited use in marine aquaculture 

Feed additives   

Astaxanthin Butylated Hydroxyanisole Butylated hydroxytoluene Canthaxantin Carotenoids 

EthoxyquinFeeding attractants Immunostimulants Vitamin C (ascorbic acid) Vitamin E 

Artificial and natural pigments Vaccines andimmunostimulants Mould inhibitors and antioxidants 

Anaesthetics   

Benzocaine Metomidate 2‐phenoxyethanol 

QuinaldineTricaine methanesulphonate  

To assist immobilisation of brood animals during egg and milt stripping Treatment purposes/ transport 

Page 79: Deliverables Establishing Environmental Impact Assessment and …ecofish-project.com/wp-content/uploads/2018/12/D2.1.pdf · is a toxic metabolic product excreted by the fish, into

645691 ‐ ECOFISH Project MSCA‐RISE‐2014: Marie Sklodowska‐Curie 

 

Generally, the antibiotics are incorporated in fish pellets and due to uneaten feed go straight 

into water and bottom. Also, they can enter in water through faeces and by urine excretion. In fact, 

there  are  researches  who  indicates  the  approximately  70‐80%  of  the  drug  ends  up  in  the 

environment.  (Samuelsen, Torsvik and Erik, 1992; Lalumera et al., 2004). Mainly,  in aquaculture 

antibiotics are used for therapeutic purposes and as prophylactic agents (Zheng et al., 2012), the 

most  frequent  fish  infections treated with antibiotics are skin ulcers, diarrhoea and blood sepsis 

(FAO, 2005).  

Although  their  use  is  carefully  indicated,  there  are  cases when  their  discharge  into  the 

aquatic environment can lead to serious damages, due to the fact that they came in direct contact 

with water and soil. (Boxall, 2004). These risks are associated with the direct toxic effects (on benthic 

micro  and meiofauna,  algae,  plankton  and  other  aquatic  organisms)  and more  subtle  effects 

including potential modification of bacterial communities (and the promotion of antibiotic resistant 

organisms)  (Marine  Strategy  Framework  Directive,  2015).  However,  the  use  of  antibiotics  in 

aquaculture remains still difficult, because they must be administered directly into the water, and 

that's why    should  be  taken  into  account  a  number  of  considerations  such  as  environmental 

integrity, the safety of fish and the aquatic products intended for human consumption. 

 

Escapes from fish farms and potential effects on wild populations, represent another big issues of 

aquaculture, with detrimental effects on the environment. According to a report published by The 

Scottish Association for Marine Science and Napier University Scottish Executive Central Research 

Unit in 2002, escapees from fish farms may interbreed with wild population resulting in losses of 

genetic variability, including loss of naturally selected adaptations, thus leading to reduced fitness 

and performance. Also, escaping of fish from farms can be responsible for the spreading diseases 

and others pathogens. It is necessary for a better understand the relationships between disease and 

both as a means of preventing environmental economically serious disease outbreaks and indirectly 

promoting the need for better environmental management. (Pullin et al., 1993). In cases of cages, 

pens or other systems which release the untreated effluent directly  into water the possibility of 

transmitting diseases to wild fish stocks is quite high. The main way of introducing diseases is the 

transfer of  infected farmed  juveniles to these systems, or through  infected food equipment, and 

through water streams (Ruiz et al., 2000, Murray et al., 2005, Salma et al., 2011). 

   

CONCLUSIONS 

Aquaculture represents the sector with an important economic activity being situated on top 

of the food production industry. Increasing customer demand for aquaculture products, together 

with increasing environmental and also the costs associated with land and water, will determinate 

the producers to develop their technological facilities or to  implement new solutions  in order to 

Hormones   

Growth hormone (GH)17 a‐methyltestosterone Oestradiol 17b 

Ovulation‐inducing drugs Serotonine 

Control and induce ovulation Teleost sex control measures 

Page 80: Deliverables Establishing Environmental Impact Assessment and …ecofish-project.com/wp-content/uploads/2018/12/D2.1.pdf · is a toxic metabolic product excreted by the fish, into

645691 ‐ ECOFISH Project MSCA‐RISE‐2014: Marie Sklodowska‐Curie 

assure the practice of high stocking densities and to meet the market demands, while taking into 

consideration environmental protection. 

In order to protect environment, aquaculture activities must be conducted sustainably, with 

minimal  impact  on  environment.  In  fact,  the  aquaculture  industry  is  already  working  on  this 

requirement,  which  in  many  countries  has  reached  an  impasse.  In  conclusion,  to  develop  a 

sustainable  growth of  aquaculture  is needed  to be profitability,  economic development  and  to 

practice a good waste management. There are many measures which can be  taking  in order  to 

reduce the environmental impact of aquaculture, as: reducing as much as possible food losses, the 

adoption of management strategies of discharged effluents, like the utilization of the recirculating 

systems or systems with low or zero water exchange, the revalorization of the wastes by integrating 

in hydroponic systems for plants production or for composting for garden applications. Also,  it  is 

important to ensure sustainable sourcing of feed, to avoid escapes by adopting technical standards, 

to  minimise  biodiversity  impacts  and  to  reduce  the  impact  of  chemicals  and  medicine  use, 

particularly antibiotics. 

 

References 

1. Ackefors, H. 1999, Environmental Impact of different farming technologies. In Sustainable 

Aquaculture‐Food for the future? Ed. by N. Svennevig, H. Reinertsen & M. New) 145‐69. A.A. 

Balkema, Rotterdam. 

2. Ayoola, Ayuub Ayodele.  Thesys.  2010 Replacement of  Fishmeal with Alternative Protein 

Source in Aquaculture Diets. (Under the direction of Professor Peter Ferket). 

3. Bardach  John E.  (Chiua Thia‐Eng), Sustainable Aquaculture, 1997, Publisher  John Wiley & 

Sons, Inc. pp.179.  

4. Beveridge M. C. M., Phillips M. J., D J Macintosh, 1997. Aquaculture and the environment: 

the supply of and demand for environmental goods and services by Asian aquaculture and 

the implications for sustainability, Aquaculture Research, pp. 797–807. 

5. Boxall A.B.A., 2004. The environmental  side effects of medication, EMBO Reports, Vol 5, 

no.12, pp.1110‐1116.  

6. Cho, C.Y., J.D. Hynes, K.R. Wood, and H.K. Yoshida. 1991. Quantification of fish culture wastes 

by biological  (nutritional)  and  chemical  (limn  logical) methods:  the development of high 

nutrient dense (HND) diets, p. 37–50. In C.B. Cowey and C.Y. Cho [eds.]. Nutritional strategies 

and  aquaculture waste.  Proceeding  of  the  First  International  Symposium  on Nutritional 

Strategies  in  Management  of  Aquaculture  Waste.  Fish  Nutrition  Research  Laboratory. 

University of Guelph, Guelph, Ontario, Canada 

7. Diaz  R.  J.    and  Rosenberg  R.,2008.  Spreading  dead  zones  and  consequences  for marine 

ecosystems, Science, vol. 321, pp. 926‐929, 2008. 

8. FAO, Food and Agriculture Organization of  the Unites Nations, Fisheries and Aquaculture 

Department, 1989. Aquaculture Systems and Practices: a Selected Review, Rome.  

9. EUROSTAT, 2014. Agriculture, forestry and fishery statistics, ISSN 2363‐2488. 

Page 81: Deliverables Establishing Environmental Impact Assessment and …ecofish-project.com/wp-content/uploads/2018/12/D2.1.pdf · is a toxic metabolic product excreted by the fish, into

645691 ‐ ECOFISH Project MSCA‐RISE‐2014: Marie Sklodowska‐Curie 

10. Food And Agriculture Organization Of The United Nations Rome, 2005, Responsible use of 

antibiotics  in  aquaculture,  by  Pilar  Hernández  Serrano  Chief,  Food Microbiology  Chair, 

Faculty of Pharmacy Central University of Venezuela Caracas 

11. FAO, Food and Agriculture Organization of  the Unites Nations, 2014, The State of World 

Fisheries and Aquaculture, Opportunities and challenges, Rome. 

12. Global magazine for farmed seafood, November/December 2014, Volume 17, Issue 6, pp. 8.  

13. Guangjun Wang, Jun Xie, Guangping Yin, Deguang Yu, Ermeng Yu, Haiying Wang & Wangbao 

Gong,. 2010. Influences of Aquiculture on Ecological Environment.International Journal og 

Biology, Vol 2. no.2 ISSN 1916‐9671, pp 158‐164. 

14. Goldburg  Rebecca  and  Tracy  Triplett,  1997.  Murky  Waters:  Environmental  Effects  of 

Aquaculture in the US, New York: The Environmental Defence Fund, 131‐152. 

15. González  F. U.  P.,  J. A. Herrera‐Silveira,  and M.  L. Aguirre‐Macedo,  2008. Water  quality 

variability and eutrophic trends in karstic tropical coastal lagoons of the Yucatán Peninsula, 

Estuarine, Coastal and Shelf Science, vol. 76, pp. 418‐430. 

16. Hakanson L., L. Carlsson, T. Johansson, 1989. A new approach to calculate the phosphorus 

load to lakes from fish farm emissions Aquacult. Eng., 17 (3), pp. 149–166. 

17. Jackson C., N. Preston, P. J. Thompson, and M. Burford, 2003. Nitrogen budget and effluent 

nitrogen components at an intensive shrimp farm, Aquaculture, vol. 218, no. 1–4, pp. 397– 

411. 

18. John S. Lucas, Paul C. Southgate, Aquaculture: Farming Aquatic Animals and Plants, second 

edition, 2012, Published by Blackwell Ltd. 

19. Lalumera  GM,  Calamari  D,  Galli  P,  Castiglioni  S,  Crosa  G,  Fanelli  R,  2004.  Preliminary 

investigation on the environmental occurrence and effects of antibiotics used in aquaculture 

in Italy. Chemosphere 54: 661–668. 

20. Martins C.I.M.,E.H. Eding, M.C.J. Verdegem, L.T.N. Heinsbroek, O. Schneider, J.P. Blancheton, 

E.  Roque  d’Orbcastel  and  J.A.J.  Verreth,  2010.  New  developments  in  recirculating 

aquaculture systems in Europe: A perspective on environmental sustainability, Aquacultural 

Engineering, November 2010, Volume 43, Issue 3, Pages 83‐93.  

21. Manoochehri,  Hamid,  Abedi,  Masoud,  Hashemi,  Masoud  ,  Boustani,  Fardin,.  2010.  An 

Assessment of Fish Processing Plant Discharge Effluent on the Tizab River. World Academy 

of Science, Engineering and Technology 70. 

22. Marine  Strategy  Framework  Directive  (MSFD)  Common  Implementation  Strategy,  17th 

Meeting of  the Marine Strategy Coordination Group  (MSCG), Guidance document on  the 

application of the Water Framework Directive (WFD) and the Marine Strategy Framework 

Directive (MSFD) in relation to aquaculture (Draft ‐ 01/09/2015), pp. 20‐23. 

23. Murray AG, Peeler EJ., 2005. A  framework  for understanding  the potential  for emerging 

diseases in aquaculture. Prev Vet Med 67: 223−235. 

24. NACA/FAO  Food  and  Agriculture  Organization  of  the  Unites  Nations,  Fisheries  and 

Aquaculture  Department,  2000.  Aquaculture  Development  Beyond  2000:  the  Bangkok 

Declaration  and  Strategy.  Conference  on  Aquaculture  in  the  Third  Millennium,  20‐25, 

Bangkok, Thailand, Rome, 27 p. 

Page 82: Deliverables Establishing Environmental Impact Assessment and …ecofish-project.com/wp-content/uploads/2018/12/D2.1.pdf · is a toxic metabolic product excreted by the fish, into

645691 ‐ ECOFISH Project MSCA‐RISE‐2014: Marie Sklodowska‐Curie 

25. Okomoda Victor, 2011. A seminar paper titled “Aquaculture and the Environment, effects 

and  Best  practices”,  Department  of  Fisheries  and  Aquaculture,  College  Forestry  and 

Fisheries, University of Agriculture Makurdi, Nigeria. 

26. Paerl  H.  W.,1997.  Coastal  eutrophication  and  harmful  algal  blooms:  Importance  of 

atmospheric deposition and groundwater as  „new‟ nitrogen and other nutrient  sources, 

Limnology and Oceanography, vol. 42, pp. 1154‐1165. 

27. Piedrahita, R.H., 2003. Reducing  the potential environmental  impact of  tank aquaculture 

effluents through intensification and recirculation. Aquaculture 226, pp. 35–44. 

28. Pillay  T.V.R.  2004,  Aquaculture  and  Environment,  Second  Edition,  ISBN  1‐4051‐0167‐9, 

Published by Library of Congress Cataloging‐in‐Publication‐Data. 

29. Podemski  C.L.    and  Blanchfield  P.J.,  2006.  Overview  of  The  Environmental  Impacts  Of 

Canadian  Freshwater Aquaculture,  in A  Scientific Review of  the Potential  Environmental 

Effects of Aquaculture in Aquatic Ecosystems, Volume V, 2006 (Canadian Technical Report 

of Fisheries and Aquatic Sciences 2450).  

30. Preston  NP,  Macleod  I,  Rothlisberg  PC  &  Long  B  1997,  Environmentally  sustainable 

aquaculture production: an Australian perspective, in DA Hancock, DC Smith, A Grant & JP 

Beumer (eds), Developing and Sustaining World Fisheries Resources: The State of Science 

and Management, Second World Fisheries Congress, Brisbane, 1996, volume 2: Proceedings, 

CSIRO, Melbourne, pp. 471‐7. 

31. Pullin, R.S.V. 1993. Discussion  and  recommendation on  aquaculture  and environment  in 

developing  countries.  In:R.S.V.  Pullin  and  Z.M.  Shehadeh  (Eds.).  ICLARM  Conference 

Proceedings 31. Manila, Philippines. 

32. Pullin Roger S. V., H. Rosenthal,  John  L. Maclean 1993. Environment and Aquaculture  in 

Developing Countries, Published by The  International center  for Living Aquatic Resources 

Management. pp 191. 

33. Ruiz GM, Rawlings TK, Dobbs FC, Drake LA, Mullady T,Huq A, Colwell RR., 2000. Global spread 

of microorganismsby ships. Nature 408: 49−50. 

34. Salama NKG, Murray  AG.,  2011.  Farm  size  as  a  factor  in  hydrodynamic  transmission  of 

pathogens in aquaculture fish production. Aquacult Environ Interact 2: 61−74. 

35. Samuelsen,  O.B.,  Torsvik,  V.  &  Erik,  A.  1992.  Long‐range  changes  in  oxytetracycline 

concentration and bacterial resistance towards oxytetracycline in a fish farm sediment after 

a medication. Science of the Total Environment, 114: 25–36. 

36. Schneider O., V. Sereti, E. H. Eding, and J. A. J. Verreth, 2005. Analysis of nutrient flows in 

integrated  intensive aquaculture  systems, Aquacultural Engineering,  vol. 32, no. 3‐4, pp. 

379–401. 

37. Scottish Association  for Marine  Science  and Napier University  Scottish Executive Central 

Research Unit, 2002. Review And Synthesis Of The Environmental Impacts Of Aquaculture, 

Review And Synthesis Of The Environmental Imp Acts Of Aquaculture.  

38. SRAC (Southern Regional Aquaculture Center), Publication no. 163 Revised, April 1997. 

39. Sugiura S. H. and R. W. Hardy, 2000. “Environmentally Friendly Feeds,” Stickney R. R., Ed., 

Encyclopedia of Aquaculure, Wiley‐Interscience, pp. 299‐310. 

Page 83: Deliverables Establishing Environmental Impact Assessment and …ecofish-project.com/wp-content/uploads/2018/12/D2.1.pdf · is a toxic metabolic product excreted by the fish, into

645691 ‐ ECOFISH Project MSCA‐RISE‐2014: Marie Sklodowska‐Curie 

40. Summerfelt, S.T., Sharrer, M.J., Tsukuda, S.M., Gearheart, M., 2009. Process requirements 

for achieving full‐flow disinfection of recirculating water using ozonation and UV irradiation 

Aquacult. Eng. 40, pp.17‐27. 

41. Tacon  Albert  G.J.    and Matthias  Halwart  Tacon,  A.G.J.  and  Halwart, M.,  FAO  Fisheries 

Technical Paper. No. 498. Rome, FAO. 2007.   Cage aquaculture: a global overview.  In M. 

Halwart, D. Soto and J.R. Arthur (eds). pp. 1–16. 241 pp. 

42. Tal,  Y.,  Schreier,  H.J.,  Sowers,  K.R.,  Stubblefield,  J.D.,  Place,  A.R.,  Zohar,  Y.,  2009. 

Environmentally sustainable land‐based marine aquaculture. Aquaculture 286, 28‐35. 

43. Timmons M.B. and Ebeling J.M. Recirculating Aquaculture Third Edition, 2013, ISBN 978‐0‐

9712646‐5‐6, Ithaca Publishing Company. 

44. Verdegem, M. C.  J., Bosma, R. H., Verreth,  J. A.  J., 2006. Reducing water use  for animal 

production through aquaculture. Int. J. Water Resour. Dev. 22, 101‐113. 

45. Verdegem,  M.  C.  J.  &  Bosma,  R.  H.  2009.  Water  withdrawal  for  brackish  and  inland 

aquaculture, and options to produce more fish in ponds with present water use. Water Policy 

11, 52–68. 

46. Youssouf Abou, Aliou Saidou, Daouda Mama  , Emile D. Fiogbé, Jean‐Claude Micha Azolla, 

2012, Diets in Earthen Ponds*, Evaluation of Nitrogen and Phosphorus Wastes Produced by 

Nile Tilapia (Oreochromis niloticus L.) Fed, Journal of Environmental Protection, pp. 502‐507.  

47. Zheng Q, Zhang R, Wang Y, Pan X, Tang J, Zhang G., 2012. Occurrence and distribution of 

antibiotics  in the Beibu Gulf, China:  impacts of river discharge and aquaculture activities. 

Marine Environmental Research 78: 26–33. 

48. Wang  YB,  Xu  ZR,  Guo  BL,  2005.  The  danger  and  renovation  of  the  deteriorating  pond 

sediment. Feed industry 26(4), pp. 47–49.