Exploring the potential of microbes for modulating aquaculture bacterioplankton

Abstract

The microbial community of recirculating aquaculture systems (RAS) is essential for the maintenance of water quality and disease management. Microbiome modulation, through the promotion of higher diversity and an increase in antagonistic microorganisms, can render an aquaculture system more resilient against disease. In line with this concept, this work aimed to 1) isolate and characterize fungi from the rearing water and biofilter of a fish RAS for potential application as microbiome modulators in the aquaculture sector and 2) assess the potential modulating effects of heat-killed biomass of Pseudoalteromonas spp. (HKP) on RAS bacterioplankton communities. In the first chapter, our microbial isolation efforts resulted in 18 fungal isolates all belonging to the Ascomycota and Basidiomycota phyla, with Pseudotaeniolina globosa being the most prevalent (11/18 isolates). In addition, three of the isolates were identified as Vishniacozyma carnescens. Other organisms found include the Ascomycota species Candida labiduridarum and the Basidiomycota species Dioszegia hungarica, Tilletiopsis lilacina, and Cystobasidium slooffiae. These species may produce secondary metabolites with biotechnological potential, such as antimicrobial and antifungal compounds, and carotenoids, and further research is needed to explore their valorisation in the aquaculture sector. In the second chapter of this thesis, the evaluation of the modulating effects of HKP showed that the strain HKP-SubTr2 had the greatest potential for RAS bacterioplankton modulation. The addition of HKP-SubTr2 (assumed to produce prodigiosin pigments, with possible antagonistic activity) to the rearing water was shown to have a clear modulating effect on aquaculture bacterioplankton communities. HKP-SubTr2 treatment significantly enriched the relative abundance of orders Bacteriovoracales, Chitinophagales, and Oceanospirillales in comparison with untreated control and treatment with unpigmented bacteria Escherichia coli HK-DH5α. In addition, the treatment significantly lowered the relative abundance of Rhodobacterales. No significant differences were found among the tested water quality parameters between the different treatments and the control. These findings indicated that the use of heat-killed microbial biomass may be an interesting strategy for aquaculture bacterioplankton modulation. However, further studies are necessary to investigate its potential effect on fish health and water quality during aquaculture production.

A comunidade microbiana de aquaculturas com sistema de recirculação (RAS) é essencial para a manutenção da qualidade da água e para a prevenção de doenças. A modulação do microbioma, através da promoção de uma elevada diversidade e de um aumento de microrganismos antagonistas, pode tornar um sistema de aquacultura mais resiliente contra o aparecimento de doenças. Tendo isto em conta, este trabalho procurou 1) isolar e caracterizar fungos da água e biofiltros de RAS para potencial aplicação como moduladores do microbioma em aquacultura e 2) avaliar o potencial de biomassa inativada por calor de Pseudoalteromonas spp. (HKP) na modulação da comunidade do bacterioplâncton de RAS. No primeiro capítulo, os esforços de isolamento resultaram em 18 isolados de fungos pertencentes aos filos Ascomycota e Basidiomycota, sendo Pseudotaeniolina globosa o mais prevalente (11/18 isolados). Para além disso, três dos isolados foram identificados como Vishniacozyma carnescens. Outros isolados incluem a espécie de Ascomycota Candida labiduridarum e as espécies de Basidiomycota Dioszegia hungarica, Tilletiopsis lilacina e Cystobasidium slooffiae. Estas espécies podem produzir metabolitos secundários com potencial interesse biotecnológico, nomeadamente compostos antimicrobianos, e carotenoides, pelo que serão estudadas em trabalhos futuros, de modo a explorar a sua valorização no setor da aquacultura. No segundo capítulo desta tese, a avaliação do efeito de HKP demonstrou que a estirpe HKP-SubTr2 tem o maior potencial para a modulação do bacterioplâncton de RAS. A adição de HKP-SubTr2 (potencial produtora do pigmento prodigiosina, com atividade antagonista) à água teve um claro efeito modulador nas comunidades do bacterioplâncton. Este tratamento enriqueceu significativamente a abundância relativa de Bacteriovoracales, Chitinophagales e Oceanospirillales em comparação com o controlo não tratado e com o tratamento com Escherichia coli DH5α, uma bactéria não pigmentada. Para além disso, o tratamento com HKP-SubTr2 diminuiu significativamente a abundância relativa de Rhodobacterales. Não houve quaisquer diferenças significativas nos parâmetros de qualidade testados entre os diferentes tratamentos e o controlo. Estes resultados indicam que o uso de biomassa inativada por calor poderá ser uma estratégia interessante para a modulação do bacterioplâncton de aquacultura. No entanto, são ainda necessários mais estudos, de modo a avaliar o seu potencial efeito na saúde dos peixes e na qualidade da água nos sistemas de aquacultura.