Stiftung Tierärztliche Hochschule Hannover (TiHo)

Immunomodulating feed additives in fish feeds for marine flatfish species

Fuchs, Vanessa Isabelle

The application of functional additives, such as probiotics, prebiotics, nucleotides or algal extracts, has become very successful recently in aquaculture research and industry. Functional additives integrated to fish feeds are seen as an alternative method to support immune functions, resistance to stress and pathogens and to increase fish production. To date, only few research has been attempted to examine the value of commercially available feed additives for flatfish species, for instance turbot (Scophthalmus maximus) and starry flounder (Platichthys stellatus). In particular, information about the influence of increasing plant proteins (PP) in diets, in combination with additive inclusion, on carnivorous fish is very limited. Turbot is of high commercial interest, especially in Spain, Portugal and France, and is mostly favored due to its low-fat level (2 - 4 % fat) and firm, white, mild tasting flesh. Starry flounder, however, is an emerging newcomer in the aquaculture industry in Korea and China, but also has high potential for production in land-based systems in other temperate regions. The aim of this thesis was to investigate the effect of different types of functional feed additives on growth, immune and stress response in S. maximus and P. stellatus. Therefore, three feeding experiments were conducted in recirculating aquaculture systems (RAS). Functional additives were selected according to their active compounds and their availability as a commercial product for the feed industry. Feed additives with the following active ingredients were used: (i) yeast (Saccharomyces cerevisiae) β-glucane and mannan oligosaccharides (MOS), (ii) yeast nucleotides and ribosomal RNA, (iii) alginic acid from brown algal extracts, (iv) probiotic bacteria strains Bacillus subtilis and B. licheniformis and (v) acidifier potassium diformate. Each additive was incorporated in a formulated diet prior to the extrusion process. In experiment one, additives (i-v) were included to high quality diets with 78% fish meal (FM) and were fed to turbot (~50 - 300 g) for 112 days. Their effect on growth and feed conversion were investigated (Chapter 2). Furthermore, focusing on recent feed formulations in aquaculture, diets for experiment two were reduced in FM and substituted with PP as comparable protein source. In experiment two, additives (i–iv) were added to diets consisting of 32% FM, 25% soy protein concentrate (SPC) and 15% wheat gluten (WG) and were fed to turbots (~95 - 300 g) for 84 days. The combined effect of high PP level and feed additives on fish was examined regarding growth, feed conversion, immune and stress response (Chapter 2 and 3). In experiment three, two levels of BG/MOS (0.6 and 1.5%) were supplemented in three diets with decreasing FM levels of 55, 40 and 25% diet-1. FM was substituted with SPC and WG at low (26%), medium (41%) and high (57%) levels. Diets were fed to starry flounders (~6 - 50 g) for 70 days (Chapter 4). Summarizing the results, functional additives did not significantly (p > 0.05) promote additional weight gain, specific growth rate (SGR), feed conversion ratio (FCR), and immune response in turbot fed FM- or PP-based diets (Chapter 2 and 3). However, some feed additives improved physiological conditions showing higher (p < 0.05) plasma cholesterol, triglyceride and glucose levels (Chapter 3). Additionally, all additves effectively diminished susceptibility to stress indicating lower plasma cortisol levels in turbot after short-term (< 1 day) handling stress (Chapter 3). Growth of turbots fed high FM diets was significantly higher (p < 0.05) compared to turbots fed low FM diets, but feed conversion was not affected (p > 0.05) by increasing dietary PP (Chapter 3). In juvenile starry flounder, BG/MOS at 0.6 and 1.5% inclusion levels in high (57%) PP-based diets improved (p < 0.05) the feed conversion ratio (Chapter 4). However, BG/MOS did not enhance (p > 0.05) growth, physiological conditions, innate immune activities and resistance to short-term handling stress (Chapter 4). Best growth results were achieved with high (55% FM, 26% SPC+WG) and moderate (40% FM, 41% SPC+WG) FM diets. Although growth was reduced (p < 0.05), starry flounders accepted 33% SPC and 24% WG in diets without suffering from impaired survival, physiological conditions, innate immune activities and stress resistance (Chapter 4). Reduced growth performance in both flatfish species is assumed to be a result of deficient nutrients (calcium, phosphorus) and essential amino acids (lysine, methionine) in diets caused by high SPC and WG inclusion. Findings in this study indicate that reported benefits of functional additives in previous studies cannot be applied across species boundaries and age classes. Dietary additive application in turbot and starry flounder seem not to be profitable, when cultured under optimal conditions in RAS. However, when turbot is exposed to handling stressors, functional additives have a positive effect on stress resistance. Therefore, it is assumed that all functional additives can improve immune functions, stress resistance and consequntly growth performance under sub-optimal and stressfull conditions and during crucial larval development and early postlarvae stages.

Die Anwendung von Futterzusatzstoffen wie Probiotika, Präbiotika, Nukleotide oder Algenextrakte zeigt seit kurzem vielversprechende Erfolge in der Aquakulturforschung und Industrie. Der Einsatz von Zusätzen in Futtermitteln ist eine alternative Methode, um die Immunfunktionen, die Resistenz gegen Stress und Krankheitserreger bei Fischen zu unterstützen und somit die Fischproduktion zu steigern. Bisher wurden nur wenige Studien mit Plattfischarten, wie Steinbutt (Scophthalmus maximus) und Sternenflunder (Platichthys stellatus), durchgeführt, die den Nutzen kommerzieller Futterzusatzstoffe untersuchen. Zudem sind Informationen über den Einfluss von Pflanzenproteinen (PP) auf die Ernährung bei karnivoren Fischen in Kombination mit Futterzusatzstoffen sehr begrenzt. Steinbutt ist von großem kommerziellen Interesse, insbesondere in Spanien, Portugal und Frankreich, und ist vor allem wegen seines niedrigen Fettgehalts (2 - 4% Fett) und seines festen, weißen, mild schmeckenden Fleisches beliebt. Die Sternenflunder ist dagegen ein aufstrebender Neuling in der koreanischen und chinesischen Aquakulturindustrie, zeigt jedoch generell ein hohes Potenzial für die Produktion in landbasierten Fischzuchtanlagen in Regionen der gemäßigten Breiten. Ziel dieser Arbeit war es, die Auswirkungen verschiedener Futterzusätze auf das Wachstum, die Immun- und Stressreaktion bei S. maximus und P. stellatus zu untersuchen. Es wurden drei Fütterungsversuche in Kreislaufanlagen (RAS) durchgeführt. Die Futterzusatzstoffe wurden hinsichtlich ihrer Wirkstoffe und der Marktverfügbarkeit für die Futtermittelindustrie ausgewählt. Futterzusätze mit den folgenden Wirkstoffen wurden verwendet: (i) Hefe (Saccharomyces cerevisiae) β-Glukane und Mannan-Oligosaccharide (MOS), (ii) Hefe Nukleotide und ribosomale RNA, (iii) Alginsäure aus Braunalgenextrakten, (iv) probiotische Bakterien Bacillus subtilis und B. licheniformis und (v) Säuerungsmittel Kaliumdiformat. Jeder Futterzusatzstoff wurde vor dem extrudieren in das jeweilige Futtermittel beigemengt. Im ersten Experiment wurden die Futterzusätze i-v in einem hochwertigen Futtermittel mit 78% Fischmehl (FM)-Anteil inkludiert und dem Steinbutt (~ 50 - 300 g) über 112 Tage verabreicht. Ihre Auswirkungen auf das Wachstum und die Futterverwertung wurden untersucht (Kapitel 2). Mit Fokus auf die neuesten Futtermittelformulierungen in der Aquakultur, wurde für Experiment zwei ein Futtermittel mit reduziertem Fischmehlanteil und mit PP als vergleichbare Proteinquelle, konzipiert. Im zweiten Experiment wurden die Futtermittel mit den Futterzusätzen i-iv versehen. Die Futtermittel basierten auf 32% FM, 25% Sojaproteinkonzentrat (SPC) und 15% Weizengluten (WG) und wurden über 84 Tage dem Steinbutt (~ 95 - 300 g) verabreicht. Die Auswirkungen des hohen PP-Gehalts kombiniert mit den Futterzusätzen wurden hinsichtlich des Wachstums, der Futterverwertung, der Immun- und Stressreaktion beim Fisch untersucht (Kapitel 2 und 3). Im dritten Experiment wurde der Futterzusatz BG/MOS in verschiedenen Konzentrationen (0,6 und 1,5%) in die Futtermittel eingesetzt. Die drei Basis-Futtermittel basierten auf 55% FM und 26% SPC/WG, 40% FM und 41% SPC/WG bzw. 25% FM und 57% SPC/WG. Die Futtermittel wurden über 70 Tage der Sternflunder (~ 6 - 50 g) verabreicht (Kapitel 4). Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Futterzusatzstoffe die Gewichtszunahme, die spezifische Wachstumsrate (SGR), die Futterumsatzrate (FCR) und die Immunantwort beim Steinbutt nicht signifikant (p > 0,05) gefördert haben, unabhängig davon, ob sie mit dem FM- oder PP-basierten Futter gefüttert wurden (Kapitel 2 und 3). Einige Futterzusatzstoffe verbesserten jedoch den physiologischen Zustand im Fisch und zeigten höhere (p < 0,05) Cholesterol-, Triglycerid- und Glukosespiegel im Blutplasma (Kapitel 3). Darüber hinaus verringerten alle Futterzusätze effektiv die Anfälligkeit gegenüber Stress, assoziiert mit einem niedrigen Cortisolspiegel im Steinbutt nach einem kurzen (< 1 Tag) Behandlung(Handling)-Stress (Kapitel 3). Das Wachstum beim Steinbutt war signifikant höher (p < 0,05) nach der Verabreichung des Futters mit hohem FM-Anteil verglichen mit dem Zuwachs durch die Fütterung des PP-basierenden Futters. Die Futterverwertung wurde jedoch nicht durch die Erhöhung des PP-Anteils beeinflusst (p > 0,05) (Kapitel 3). Bei der Sternenflunder konnten beide Konzentrationen (0,6 und 1,5%) von BG/MOS die Futterumsatzrate, bei der Verabreichung des PP (57%)-reichen Futters, verbessern (p < 0,05) (Kapitel 4). BG/MOS verbesserte jedoch nicht das Wachstum (p> 0,05), den physiologischen Zustand, die angeborenen Immunaktivitäten und die Resistenz gegen kurzeitigen Handling-Stress (Kapitel 4). Die besten Wachstumsergebnisse wurden mit hohen (55% FM, 26% SPC + WG) und moderaten (40% FM, 41% SPC + WG) FM-Anteilen im Futter erzielt. Trotz des schlechten Wachstums (p < 0,05), akzeptierte die Sternenflunder einen Anteil von 33% SPC und 24% WG in den Futtermitteln, ohne Einbußen bei der Überlebensrate, dem physiologischen Zustand, den angeborenen Immunaktivitäten und der Stressresistenz (Kapitel 4). Es wird angenommen, dass die verringerte Wachstumsleistung bei den Plattfischarten auf mangelnde Nährstoffe (Kalzium, Phosphor) und essentielle Aminosäuren (Lysin, Methionin) in den Futtermitteln zurückzuführen ist. Dieser Mangel wurde möglicherweise durch den hohen Anteil an SPC und WG im Futter verursacht. Die Ergebnisse dieser Studie zeigen, dass die in früheren Studien berichteten Vorteile von Futtermittelzusätzen nicht Arten- und Altersklassen-übergreifend angewendet werden können. Die Anwendung von Futtermittelzusätzen beim Steinbutt und bei der Sternenflunder scheint nicht gewinnbringend unter optimalen Zuchtbedingungen in RAS zu sein. Allerdings können sich Futterzusätze bei stressbedingten Zuständen (z.B. Handling-Stress während der Aufzucht) vorteilhaft auf die Stressanfälligkeit auswirken. Daher wird angenommen, dass Futterzusatzstoffe nützliche Hilfsmittel sind, die die Immunfunktionen, die Stressresistenz und die daraus resultierenden Wachstumsleistungen verbessern können. Eine Anwendung unter suboptimalen und stressigen Bedingungen sowie während der kritischen Larvenentwicklung und in frühen Postlarvenstadien könnte entscheidende Vorteile mit sich bringen.

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Fuchs, V.I., 2020. Immunomodulating feed additives in fish feeds for marine flatfish species. Hannover.
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