Nutrition and gut microbiota modulation as tools for regulating fat accumulation in aquaculture fish

Abstract

[eng] The sustainability concerns, increasing cost, and insufficient availability of fish oil associated to aquaculture growth, have led to the search of sustainable alternatives in aquafeeds. However, fish oil replacement increases the levels of body fat deposition. An excessive fat accumulation in digestive tissues may cause deregulations in nutrient digestion and absorption, reduced feed efficiency and growth, as well as negatively affect the organoleptic qualities of the fillet. Hence, it is imperative to explore complementary strategies to balance fat accumulation when diminishing fish oil content in aquafeeds. This thesis proposes two strategies to reduce the levels of fat accumulation in fish: the supplementation of diets with additives with digestive and hypolipidemic properties, and the modulation of the gut microbial communities through an intestinal microbiota transplant (IMT). To test these strategies, gilthead seabream (Sparus aurata), the most important farmed species in the Mediterranean, was used as a biological model. Under this context, the effect on fat accumulation, and fish health and condition, of three different additives was evaluated: i) a blend of bile salts containing sodium cholate, sodium deoxycholate, and sodium taurocholate at dietary inclusion levels of 0.06% and 0.12%; ii) a combination of capsicum, black pepper, and ginger oleoresins, and cinnamaldehyde (SPICY additive) at 0.1% and 0.15% in the diet; and iii) a combination of turmeric, capsicum, black pepper, and ginger oleoresins (SO additive) at 0.2% in the diet. Results revealed that the tested blend of bile salts at 0.06% in the diet and the SPICY additive at 0.1% and 0.15% promoted somatic growth. Additionally, the SPICY additive reduced the values of feed conversion ratio at both inclusion levels. Furthermore, the blend of bile salts at 0.12% increased lipid apparent digestibility, which was attributed to the higher activity of the bile salt-activate lipase and increased secretion of bile salts into the intestine. A higher bile salt-activate lipase activity was also observed for the SPICY and SO additives at all the inclusion levels tested. Dietary supplementation with the tested additives demonstrated a promising reduction in the levels of fat accumulation in the visceral cavity and digestive organs (liver and intestine) without compromising the proximate composition of the fillet. Moreover, the three additives modulated the local immune response in the intestine, as well as the gut bacterial composition in gilthead seabream without affecting the diversity and structure. Regarding the IMT, two marine carnivorous fish species that thrive in different environmental conditions were selected, Atlantic salmon (Salmo salar) as microbiota's donor, and gilthead seabream as recipient. This approach was designed to develop an IMT protocol and to study the dynamics of the gut bacterial communities after the IMT and under the influence of different dietary treatments. The purpose was further applying this protocol in the gilthead seabreams submitted to the above-mentioned nutritional assays to test the reduction in fat accumulation levels. However, this assay was not conducted since the microbial modulation induced by the tested additives was not robust enough for expecting it to have a determinant role in fat accumulation. Nonetheless, the results of the inter-specific IMT provided insight to

the paramount role of the diet in shaping the gut microbial communities after an IMT, modulating richness, diversity, structure, and composition over time. Unfortunately, many experimental factors, such as the high number of individuals typically managed in aquaculture, suggest that implementation of IMTs as a reliable strategy in the sector are yet remote. Results from the current thesis indicated that feed additives are a safe strategy to improve the health and condition in farmed fish as well as modulate body fat accumulation without affecting the nutritional quality of the fillet.

[cat] Les preocupacions per la sostenibilitat, l'augment del cost i la insuficient disponibilitat d'oli de peix associats al creixement de l'aqüicultura han portat a la recerca d'alternatives sostenibles en els pinsos aquàtics. No obstant això, el reemplaçament de l'oli de peix augmenta els nivells de deposició de greix corporal. Una acumulació excessiva de greix en els teixits digestius pot provocar desregulacions en la digestió i absorció de nutrients, reduir l'eficiència i el creixement de l'alimentació, així com afectar negativament les qualitats organolèptiques del filet. Per tant, és imprescindible explorar estratègies complementàries per equilibrar l'acumulació de greix quan es disminueix el contingut d'oli de peix en els pinsos aquàtics. Aquesta tesi proposa dues estratègies per reduir els nivells d'acumulació de greix en peixos: la suplementació de dietes amb additius amb propietats digestives i hipolipidèmiques, i la modulació de les comunitats microbianes intestinals mitjançant un trasplantament de microbiota intestinal (IMT). Per provar aquestes estratègies, es va utilitzar com a model biològic l'orada (Sparus aurata), l'espècie cultivada més important de la Mediterrània. En aquest context, es va avaluar l'efecte sobre l'acumulació de greix i la salut i l'estat dels peixos de tres additius diferents: i) una barreja de sals biliars que contenien colat de sodi, desoxicolat de sodi i taurocholat de sodi a nivells d'inclusió dietètica del 0,06% i 0,12%; ii) una combinació d'oleorresines de pebrot, pebre negre i gingebre, i cinamaldehid (additiu PICANT) al 0,1% i 0,15% a la dieta; i iii) una combinació d'oleorresines de cúrcuma, pebrot, pebre negre i gingebre (additiu SO) al 0,2% en la dieta. Els resultats van revelar que la barreja provada de sals biliars al 0,06% en la dieta i l'additiu SPICY al 0,1% i 0,15% va promoure el creixement somàtic. A més, l'additiu SPICY va reduir els valors de la ràtio de conversió alimentària en ambdós nivells d'inclusió. A més, la barreja de sals biliars al 0,12% va augmentar la digestibilitat aparent dels lípids, que es va atribuir a la major activitat de la lipasa activadora de sals biliars i a l'augment de la secreció de sals biliars a l'intestí. També es va observar una major activitat de lipasa activadora de sal biliar per als additius SPICY i SO en tots els nivells d'inclusió provats. La suplementació dietètica amb els additius provats va demostrar una reducció prometedora dels nivells d'acumulació de greix a la cavitat visceral i als òrgans digestius (fetge i intestí) sense comprometre la composició propera del filet. A més, els tres additius van modular la resposta immunitària local a l'intestí, així com la composició bacteriana intestinal de l'orada sense afectar la diversitat i l'estructura. Pel que fa a l'IMT, es van seleccionar dues espècies de peixos carnívors marins que prosperen en diferents condicions ambientals, el salmó atlàntic (Salmo salar) com a donant de microbiota, i l'orada com a receptora. Aquest enfocament va ser dissenyat per desenvolupar un protocol IMT i estudiar la dinàmica de les comunitats bacterianes intestinals després de l'IMT i sota la influència de diferents tractaments dietètics. El propòsit era aplicar aquest protocol en les daurades sotmeses als assajos nutricionals esmentats anteriorment per provar la reducció dels nivells d'acumulació de greix. No obstant això, aquest assaig no es va dur a terme ja que la modulació microbiana induïda pels additius provats no era prou robusta per esperar que tingués un paper determinant en l'acumulació de greixos. No obstant això, els resultats de l'IMT interespecífic van proporcionar informació sobre el paper primordial de la dieta en la formació de les comunitats microbianes intestinals després d'una TMI, modulant la riquesa, la diversitat, l'estructura i la composició al llarg del temps. Malauradament, molts factors experimentals, com l'elevat nombre d'individus que es gestionen típicament en aqüicultura, suggereixen que la implementació de les IMT com a estratègia fiable en el sector encara és remota. Els resultats de la tesi actual indiquen que els additius per a pinsos són una estratègia segura per millorar la salut i l'estat dels peixos de piscifactoria, així com per modular l'acumulació de greix corporal sense afectar la qualitat nutricional del filet.