Influence of RAS features on fish stress and welfare indicators

Abstract

El benestar dels peixos ha captat una atenció considerable durant l'última dècada, no només de la comunitat científica, sinó també del públic en general. Unes condicions adequades de cria dels peixos en captivitat, ja siguin destinats a la producció d'aliments per part de la indústria aqüícola o per a la investigació de laboratori, ofereix avantatges. A les instal·lacions d'aqüicultura modernes, com les que treballen en condicions de recirculació (sistemes d'aqüicultura de recirculació o RAS, segons les sigles en anglès), els peixos es poden protegir de les fluctuacions abruptes dels paràmetres ambientals (e.g. temperatura, concentracions de compostos nitrogenats, disponibilitat d'oxigen dissolt), però encara estan exposats a una varietat de factors estressants, inclosos els contaminants ambientals i altres estímuls (e.g. manipulació, transport, soroll). Investigar la resposta a l'estrès dels peixos de cultiu a aquests factors estressants i determinar el seu impacte en l'estat de salut dels animals és de gran importància per garantir el benestar dels peixos en RAS. La present tesi s’ha centrat en investigar l'impacte de dos tipus d'estressors en la salut i el benestar dels peixos. D'una banda, es van avaluar els efectes de les exposicions prolongades a concentracions rellevants per al medi ambient i pics de contaminants emergents (CEC, segons les sigles en anglès), en particular, el gemfibrozil, un producte farmacèutic que regula els lípids, i els nanoplàstics de poliestirè, tots dos omnipresents als ecosistemes aquàtics, tant en espècies d'interès científic com comercial (Sparus aurata i Carassius auratus). D'altra banda, es van dur a terme dos estudis de cas, un investigant -i confirmant- la presència de nanoplàstics en RAS, i l'altre estudiant l'impacte de l’estrès sobre l'estat de salut del salmó (Salmo salar) després d'una operació de transferència rutinària de peixos en un RAS comercial. Es va utilitzar una combinació de tècniques tradicionals i -òmiques per intentar obtenir una comprensió integral de la resposta d'aquestes espècies als factors d'estrès esmentats. Tant el gemfibrozil com els nanoplàstics van desencadenar lleus respostes antioxidants en el peix d’aigua dolça C. auratus. A més, els resultats indiquen que aquests CEC podrien alterar l'assignació de recursos energètics o el metabolisme energètic de les espècies estudiades, tot i que no es van observar efectes significatius sobre la mida, el pes o el creixement al llarg de l'exposició experimental. El més interessant és que el segon estudi de cas va aportar evidències rellevants sobre la inhibició de respostes associades a l’estrès en S. salar criats en SAR, suggerint que aquests peixos es troben sotmesos a un estrès crònic greu i llavors no generan una resposta completa. Les investigacions posteriors haurien de centrar-se a confirmar aquesta darrera troballa i a investigar quins factors del RAS són potencialment responsables d’aquestes respostes. A més, s'haurien de destinar esforços a la reducció de la producció i alliberament de CEC, així com a la mitigació de la contaminació ja existent. També s'hauria de prestar especial atenció a l'eficàcia de les matrius biològiques no invasives per determinar la salut i el benestar dels peixos, per minimitzar el nombre de peixos manipulats i sacrificats amb aquesta finalitat.

El bienestar de los peces ha ganado considerable atención en la última década, no solo por parte de la comunidad científica, sino también del público en general. Garantizar condiciones adecuadas de cría y manejo para los peces en cautiverio, ya sea con fines de producción alimentaria en la industria acuícola o para la investigación en laboratorio, ofrece una serie de ventajas. En instalaciones acuícolas modernas, como aquellas que operan bajo condiciones de recirculación (es decir, sistemas de acuicultura en recirculación, RAS por sus siglas en inglés), los peces pueden estar protegidos de fluctuaciones abruptas en parámetros ambientales (por ejemplo, temperatura, concentraciones de compuestos nitrogenados, disponibilidad de oxígeno disuelto), pero siguen expuestos a una variedad de factores estresantes, incluidos contaminantes ambientales y daños físicos, así como aquellos inherentemente asociados con los RAS (por ejemplo, manipulación, transporte, ruido). Investigar la respuesta al estrés de los peces cultivados ante estos factores y determinar su impacto en la salud de los animales es de suma importancia para garantizar su bienestar en los RAS.

La presente tesis se centró en investigar el impacto de dos tipos de factores estresantes en la salud y el bienestar de los peces. Por un lado, se evaluaron los efectos de exposiciones prolongadas a concentraciones ambientalmente relevantes y elevadas de contaminantes emergentes (CECs, por sus siglas en inglés), específicamente gemfibrozilo, un fármaco regulador de lípidos, y nanopartículas de poliestireno, ambos ubicuos en los ecosistemas acuáticos. Estas evaluaciones se realizaron en especies de particular interés científico o comercial (es decir, Carassius auratus y Sparus aurata). Por otro lado, se llevaron a cabo dos estudios de caso: uno que investigó —y confirmó— la presencia de nanoplásticos en sistemas RAS, y otro que analizó el impacto de una operación rutinaria de transferencia en la salud y el estado de estrés de Salmo salar en un RAS comercial. Cuando fue posible, se combinó el uso de técnicas tradicionales con enfoques ómicos para obtener una comprensión integral de la respuesta de estas especies ante los factores estresantes mencionados.

Tanto el gemfibrozilo como los nanoplásticos provocaron respuestas antioxidantes leves en el pez de agua dulce C. auratus. Además, los resultados indican que estos CECs podrían alterar la asignación de recursos energéticos o el metabolismo energético de las especies estudiadas, aunque no se observaron efectos significativos en el tamaño, peso o crecimiento durante la exposición experimental.

Lo más interesante es que el segundo estudio de caso proporcionó evidencia reveladora sobre la inhibición de respuestas relacionadas con el estrés en Salmo salar cultivado en RAS, lo que indica que estos peces no desarrollan una respuesta completa al estrés bajo condiciones de estrés crónico severo.

Futuras investigaciones deberían centrarse en confirmar este último hallazgo y en determinar qué factores de las condiciones en RAS son potencialmente responsables. Además, se deben destinar esfuerzos a reducir la producción y liberación de CECs, así como a mitigar la contaminación ya existente. Asimismo, se debe prestar especial atención a la eficacia de matrices no invasivas para evaluar la salud y el bienestar de los peces, con el fin de minimizar la manipulación y el sacrificio de ejemplares para este propósito.

Fish welfare has gained considerable attention over the last decade, not only from the scientific community, but also from the general public. Adequate rearing and husbandry conditions for fish in captivity, whether destined for food production by the aquaculture industry or laboratory research, provides a series of advantages. In modern aquaculture facilities, such as those working under recirculating conditions (i.e. recirculating aquaculture systems, RAS), fish may be sheltered from abrupt fluctuations in environmental parameters (e.g. temperature, concentrations of nitrogenous compounds, dissolved oxygen availability), but are still exposed to a variety of stressors, including environmental pollutants and physical insults, as well as those inherently associated with RAS (e.g. handling, transportation, noise). Investigating the stress response of cultured fish to these stressors and determining their impact on the health status of the animals is of utmost importance to ensuring the welfare of fish in RAS. The present thesis focused on investigating the impact of two types of stressors on the health and welfare of fish. On one side, the effects of prolonged exposures to environmentally relevant and spiked concentrations of contaminants of emerging concern (CECs), namely gemfibrozil, a lipid-regulating pharmaceutical, and polystyrene nanoplastics, both ubiquitous in aquatic ecosystems, were evaluated in species of particular scientific or commercial interest (i.e. Carassius auratus and Sparus aurata). On the other side, two case studies were conducted, one investigating – and confirming – the presence of nanoplastics in RAS, and the other studying the impact of a routine transfer operation on the health and stress status of S. salar in a commercial RAS. When possible, a combination of traditional and -omics techniques were employed in an attempt to obtain a comprehensive understanding of the response of these species to the aforementioned stressors. Both gemfibrozil and nanoplastics triggered slight antioxidant responses in the freshwater C. auratus. Moreover, the results indicate that these CECs might alter the allocation of energetic resources, or the energy metabolism of the studies species, although no significant effects on size, weight, or growth were observed throughout the experimental exposure. Most interestingly, the second case study hereby conducted provided insightful evidence on inhibited stress-related responses in Salmo salar reared in RAS, indicating that these fish do not mount a complete stress response under severe chronic stress. Further research should focus on confirming this last finding, and on investigating which factor of RAS conditions are potentially responsible. Moreover, efforts should be allocated to the reduction of CECs production and release, as well as the mitigation of already existing contamination. In addition, particular attention should be given to the efficacy of non-invasive matrices to determine fish health and welfare to minimise the number of fish manipulated and sacrificed to this end.