Promoting nitrogen efficiency in aquaculture fish to ensure a more sustainable production

The sustainability of the aquaculture industry depends on formulating diets that promote nitrogen retention and maximise fish growth performance. This Thesis was focused on the optimisation of environmentally sustainable and cost-effective feeds for two fish species relevant to the World and European aquaculture: Nile tilapia (Oreochromis niloticus) and gilthead seabream (Sparus aurata). Chapter II aimed to reduce protein inclusion levels in plant-based diets for juvenile tilapia, through adequate amino acid supplementation, to minimise diet environmental impact and increase biological efficiency. Results showed that dietary protein content may be reduced to 30% without hindering growth performance. Additionally, amino acid supplementation of a lower protein diet improved protein utilisation and decreased amino acid catabolism, leading to lower nitrogen losses. In Chapter III, the bioavailability and metabolic fate of ketogenic and glucogenic amino acids in juvenile seabream fed plant-based diets with distinct protein and/or lipid content was evaluated. Results established that the metabolic fate of amino acids was mainly affected by their nature rather than the diet formulations. Similar results were obtained in Chapter IV in seabream fed diets differing in the inclusion of lipids with distinct protein to energy ratios. Findings from Chapters III and IV showed that in seabream juveniles methionine was preferentially retained in the muscle while lysine was catabolised. In Chapter V, the influence of different methionine sources on metabolism and growth of tilapia was investigated. Fish fed a diet supplemented with DL-methionine showed improved growth compared with fish fed a non-supplemented diet, while dietary supplementation with methyl hydroxyl analogue resulted in intermediate values. The impact on fish growth was probably due to the distinct metabolic pathways used for converting methionine, which were different between sources. Chapter VI evaluated growth performance, diet digestibility and nitrogen balance in seabream reared under low temperatures. The supplementation of feed additives in diets for seabream juveniles enabled the decrease of protein and fishmeal contents by increasing diet digestibility and lowering nitrogen faecal losses. This Thesis generated relevant knowledge on nutritional strategies to promote nitrogen retention and maximise fish growth, towards a more sustainable aquaculture. A sustentabilidade da aquacultura depende da formulação de dietas que promovam a retenção de azoto e potenciem a performance de crescimento dos peixes. Esta Tese teve como principal objetivo a otimização de dietas economicamente viáveis e ambientalmente sustentáveis para duas espécies de peixes relevantes no panorama mundial e europeu da indústria da aquacultura: a tilápia do Nilo (Oreochromis niloticus) e a dourada (Sparus aurata). No Capítulo II, através da suplementação adequada de aminoácidos em dietas vegetais para juvenis de tilápia, pretendeu-se reduzir os níveis de inclusão de proteína de forma a minimizar o impacto ambiental e aumentar a eficiência biológica. Demonstrou-se que o conteúdo proteico das dietas pode ser reduzido para 30% sem prejudicar o crescimento dos peixes. Além disso, a suplementação com aminoácidos de uma dieta com um menor conteúdo de proteína melhorou a utilização deste nutriente e diminuiu o catabolismo dos aminoácidos, resultando em menores perdas de azoto para o ambiente. No Capítulo III foi avaliada a biodisponibilidade, assim como o destino metabólico de aminoácidos cetogénicos e glucogénicos em juvenis de dourada alimentados com dietas vegetais com diferentes níveis de proteína e/ou lípidos. A utilização metabólica dos aminoácidos foi maioritariamente influenciada pela sua natureza cetogénica ou glucogénica e não pela formulação das dietas. No Capítulo IV os resultados foram semelhantes em douradas alimentadas com dietas com diferentes níveis de inclusão de lípidos, diferindo no rácio de proteína e energia. Os resultados obtidos nos Capítulos III e IV demonstraram que, em juvenis de dourada, a metionina foi preferencialmente retida no músculo enquanto a lisina foi catabolizada. No Capítulo V foi estudada a influência de diferentes fontes de metionina no metabolismo e crescimento de tilápias. O crescimento de peixes alimentados com uma dieta suplementada com DL-metionina foi superior ao observado em peixes alimentados com uma dieta não suplementada, enquanto os peixes alimentados com uma dieta suplementada com um análogo da metionina (“methyl hydroxyl analogue”) tiveram um crescimento intermédio. Este impacto na performance de crescimento dos peixes poderá ser devido ao facto das diferentes fontes de metionina seguirem vias metabólicas distintas na sua conversão. No Capítulo VI foi avaliado se dietas formuladas com aditivos alimentares poderiam ajudar os peixes a lidar com condições não ótimas de cultivo, neste caso baixa temperatura de água. Foram avaliados parâmetros de crescimento, digestibilidade de dietas e balanço de azoto em douradas. A suplementação com aditivos alimentares tornou possível reduzir a proteína e a farinha de peixe das dietas, devido a um aumento da digestibilidade e a um decréscimo nas perdas fecais de azoto. Esta Tese permitiu aumentar o conhecimento sobre como diferentes estratégias nutricionais ajudam a promover a retenção de azoto e a potenciar o crescimento dos peixes, contribuindo para o desenvolvimento de uma aquacultura mais sustentável. This work was supported by Evonik Operations GmbH (Germany) through project IsoMet; Project 38497_FEEDNETIX co-financed by FEDER through PO Algarve 21 in the framework of QREN 2007-2013; Project MedAID (GA no 727315) through European Union‘s Horizon 2020 research and innovation programme; and by national funds from FCT - Foundation for Science and Technology (Portugal) through project UIDB/04326/2020 to CCMAR. RT acknowledges financial support by Evonik Operations GmbH (Germany).