Assessing the coding potential of Vibrionaceae spp.  and the validity of green methodologies to modulate microbiome assembly in fish larviculture

Gracinda Maria Martins Sanches Fernandes

Key information

Authors:

Gracinda Maria Martins Sanches Fernandes (Gracinda Maria Martins Sanches Fernandes)

Supervisors:

Rodrigo da Silva Costa (Rodrigo da Silva Costa)

Published in

May 2, 2022

Abstract

A aquicultura constitui parte da solução para produzir proteína suficiente para alimentar uma população mundial que se espera ser de 10 biliões de pessoas em 2050. Todavia, a produção mundial em sistema de aquicultura de peixe, moluscos e crustáceos encontra-se flagelada por elevadas taxas de mortalidade e severas perdas económicas, como resultado da presença e da proliferação de patogénicos oportunistas. Até à data, diversas espécies de bactérias têm sido identificadas como sendo os agentes causadores de surtos de doença em instalações de aquicultura. Entre estas, espécies pertencentes à família Vibrionaceae são de particular interesse devido à sua frequência de ocorrência e ao seu potencial de ameaça à saúde humana, que parecem aumentar com as alterações climáticas. O elevado valor de mercado associado ao cultivo do peixe teleósteo Sparus aurata (dourada) na área do Mediterrâneo, bem como a sua boa recetividade para ser criado em condições produtivas intensivas, faz da dourada um modelo de estudo bastante útil para investigação em biologia experimental, podendo facilitar o desenvolvimento de novas estratégias no que respeita à doença, com vista a um sector de aquicultura cada vez mais sustentável. O uso excessivo de antibióticos, tanto para fins profiláticos como para tratamento, é uma preocupação crescente em termos de saúde pública, sem que exista uma legislação estandardizada e políticas respeitantes aos limites de quantidade residual em peixe, moluscos e crustáceos para consumo humano, bem como os antibióticos específicos permitidos em cada país. Para além do impacto direto causado por vibrioses (ou seja, doenças causadas por espécies de Vibrio) em humanos e animais, a disseminação da resistência a antibióticos entre as espécies de Vibrio é alarmante, uma vez que potencia a vibriose como ameaça mundial tanto para o setor de aquicultura como para a saúde humana. Consequentemente, existe uma urgente necessidade de implementar métodos mais seguros e sustentáveis no controlo de doenças bacterianas, recorrendo ao uso de pre- e probióticos e terapias baseadas no microbioma, para mitigar a proliferação de patogénicos em aquicultura. Neste contexto, ao longo desta tese é colocado o foco em espécies do género Vibrio como potencial agente etiológico de vibrioses na larvicultura de dourada. Revelam-se fatores de virulência presentes em emergentes Vibrio patogénicos para os animais aquáticos (Vibrio chagasii e Vibrio jasicida) previamente isolados de larva de dourada. Adicionalmente, avaliase o potencial antibacteriano de metabolitos produzidos pela alga vermelha Asparagopsis armata na (i) alteração da abundância de putativos patogénicos no microbioma das larvas de peixe e do seu alimento vivo, e (ii) na promoção da sobrevivência das larvas de peixe bem como do seu crescimento numa instalação de larvicultura. Aquaculture is part of the solution to produce enough protein to feed a global population expected to swell up to 10 billion people by 2050. Notwithstanding, worldwide aquaculture production of seafood experiences high mortality rates and severe economic losses because of the presence and proliferation of opportunistic pathogens. To date, several bacterial species have been identified as causing agents of disease outbreaks in aquaculture facilities. Among these, species belonging to the Vibrionaceae family are of particular concern as their frequency of occurrence and potential to pose threats to human health appear to increase with climate change. The high market value associated with the cultivation of the teleost fish Sparus aurata (gilthead seabream) in the Mediterranean area, as well as its amenability to be reared in intensive production conditions, makes farmed gilthead seabream a useful study model for experimental biology research, which can facilitate the development of novel disease management strategies for a more sustainable aquaculture sector. The use of antibiotics for both prophylaxis and disease treatment are a growing public health concern with no standard legislation and policy concerning limits for residual amounts in fish and shellfish for human consumption, as well as regarding the specific antibiotics allowed in each country. Besides the direct impact caused by vibriosis (that is, diseases caused by Vibrio species) on humans and livestock, the spread of antibiotic resistance among Vibrio species in open and man-made environments is worrying as it potentiates vibriosis as a worldwide threat to the aquaculture sector and human health. Therefore, there is a current need to implement safer and more sustainable methods for bacterial disease control, including the use of pre- and probiotics and microbiome-based therapies, to mitigate the spread of pathogens in aquaculture. In this context, this thesis focuses on Vibrio species as potential etiological agents of vibriosis in gilthead seabream larviculture. It unveils virulence factors among emerging Vibrio pathogens of aquatic animals (that is, the species Vibrio chagasii and Vibrio jasicida), which have been previously isolated from gilthead seabream larvae. Further, it addresses the potential of antibacterial metabolites produced by the red seaweed Asparagopsis armata in (i) altering the abundance of putative pathogens in the microbiomes of fish larvae and their live feed, and (ii) improving fish larval survival and growth in a larviculture facility.