Alimento para peces proveniente de recursos naturales: Gas natural, árboles y luz solar

Felipe E. Reveco Urzúa*, Margareth Øverland Department of Animal and Aquacultural Sciences, Norwegian University of Life Sciences, P.O. Box 5003, 1432 Ås, Norway *Autor principal

La acuicultura, a nivel mundial, es el sector de producción de alimento para animales que presenta el mayor dinamismo, con un índice de crecimiento anual del 7% (FAO 2014). Esto se refleja en la gran demanda de recursos alimenticios para mantener el continuo desarrollo de la industria acuícola. En este contexto, este sector productivo ha estado utilizando principalmente ingredientes de origen vegetal y de subproductos del procesamiento de animales para afrontar la demanda de alimento, dado que la harina de pescado y el aceite de pescado son recursos limitados. Interesantemente, la industria acuícola ha sido capaz de introducir una cantidad elevada de ingredientes vegetales en el alimento para peces, sin alterar significativamente el crecimiento y el índice de conversión del alimento de los peces. Esto se ha logrado mediante un procesamiento apropiado del alimento, una formulación óptima de dietas, y una suplementación de aminoácidos y micro nutrientes. La incorporación de vegetales en dietas de salmónidos en Noruega, a modo de ejemplo, se incrementó abruptamente durante los últimos diez años, constituyendo hoy en día más del 80% de la dieta (Figura 1) (Torrissen et al., 2011).

 ¿Por qué la industria acuícola está utilizando ingredientes vegetales para alimentar peces? Porque estos ingredientes son más económicos y abundantes que los ingredientes marinos. El poroto de soya, el maíz, el trigo, el girasol y la canola son los principales ingredientes vegetales utilizados en dietas de salmónidos. Los coproductos del poroto de soya, como la harina de soya, han demostrado tener el mejor perfil de aminoácidos para salmónidos (por ejemplo, salmón del Atlántico (Salmo salar) y la trucha arcoíris (Oncorhynchus mykiss)) (Tabla 1). Los peces de cultivo, como los salmónidos, no requieren harina de pescado o aceite de pescado para crecer, pero si requieren aminoácidos, lípidos, algunos minerales y vitaminas. Esto significa que los peces pueden ser alimentados con una amplia gama de ingredientes para satisfacer sus requerimientos nutricionales. Sin embargo, el uso de ciertos ingredientes vegetales en dietas de salmónidos, como leguminosas u oleaginosas, no está exento de desafíos y desventajas. La mayoría de las plantas contienen factores antinutricionales que pueden elevar el riesgo de trastornos relacionados con la nutrición en peces. Por ejemplo, los peces carnívoros digieren pobremente los carbohidratos de origen vegetal, como el almidón y la celulosa. También hay muchos otros factores antinutricionales que pueden afectar el crecimiento, el índice de conversión del alimento, la palatabilidad, y la salud de los peces (Francis et al., 2001; Krogdahl et al., 2010). A pesar de que muchos de estos problemas pueden ser resueltos a través del procesamiento de ingredientes alimenticios (Drew et al., 2007) y mejoramiento genético de plantas, se ha documentado que una alta inclusión dietaria de leguminosas (por ejemplo, harina de soya o de concentrado proteico de arveja) causa inflamación del intestino distal en peces de cultivo, especialmente en salmónidos (Merrifield et al., 2011; Penn et al., 2011). Un reciente meta-análisis del efecto de proteínas vegetales sobre la tasa específica de crecimiento (SGR) en salmónidos, reveló que incrementando la inclusión dietaria de harina de soya, concentrado proteico de soya, y de harina de canola, disminuye significativamente la SGR (Collins et al., 2013). Por lo tanto, pueden surgir muchas preguntas acerca del uso de vegetales como ingredientes alimenticios en la industria acuícola. ¿Qué tan sustentable es usar dietas de peces basadas principalmente en ingredientes vegetales? ¿Debemos continuar alimentando a peces con recursos alimenticios destinados a consumo humano, como el poroto de soya, arvejas y trigo? ¿Es ético alimentar a peces con dietas basadas en ingredientes que podrían afectar su salud?  El uso de ingredientes microbianos puede ayudar a resolver los desafíos que hoy enfrenta la industria acuícola para lograr un crecimiento sostenido, ya que éstos son prominentes ingredientes sustentables de alta calidad nutricional para peces. Por lo tanto, en el futuro, las dietas para peces deberían basarse en materias primas alimenticias y en subproductos vegetales que no sean aptas para el consumo humano. Los ingredientes microbianos que provienen de bacterias, levaduras y microalgas se consideran sustentables, ya que estos últimos presentan una tasa de crecimiento rápida, no requieren tierras de cultivo o grandes cantidades de agua dulce para ser cultivados y, finalmente, pueden ser cultivados independientemente de las condiciones climáticas presentes. Además, bacterias y levaduras tienen la capacidad de convertir recursos naturales de bajo valor, como el gas natural y subproductos procedentes de la agricultura y silvicultura, como árboles y bagazo de caña de azúcar, en proteínas de alta calidad, para ser usadas en dietas de salmones. Asimismo, las microalgas pueden convertir el CO2 y la luz solar, en proteínas y en lípidos de alta calidad. Por lo tanto, diferentes recursos naturales pueden entrar en la cadena alimenticia humana con la ayuda de microorganismos, al ser convertidos en alimentos de alta calidad nutricional como el salmón. Esto demuestra el gran potencial que tienen estos ingredientes microbianos en la industria de la alimentación para la acuicultura (Figura 2).

 El grupo de investigación en nutrición de peces del Departamento de Ciencias Animales y Acuícolas de la “Norwegian University of Life Sciences” (NMBU), ha estado trabajando durante los últimos 20 años con diferentes ingredientes microbianos provenientes de bacterias, levaduras y microalgas. Este equipo de investigadores ha documentado que salmónidos alimentados con ingredientes microbianos presentan un crecimiento similar a esos alimentados con harina de pescado de alta calidad y sin mostrar efectos negativos en la salud, lo cual destaca la calidad e inocuidad de estos ingredientes. Sorprendentemente, este grupo también reveló que ciertos ingredientes microbianos fueron capaces de contrarrestar significativamente los efectos negativos de dietas con alto contenido de ingredientes vegetales (por ejemplo, harina de soya) sobre la salud de salmónidos (Romerheim et al., 2011; Grammes et al., 2013), tal como se describe más adelante. Uno de estos ingredientes microbianos es una harina bacteriana producida a partir de gas natural, la cual consiste principalmente de Methylococcus capsulatus (Bath) y en una menor medida de Ralstonia sp., Brevibacillus agri, y Aneurinibacillus sp. Los lectores pueden referirse a Øverland et al. (2010b) para obtener una revisión detallada sobre esta harina bacteriana como ingrediente alimenticio para especies monogástricas. La composición nutricional de la harina bacteriana es similar a la de harina de pescado, conteniendo aproximadamente un 70% de proteína cruda y un 8% de lípidos (Tabla 1). Esta harina bacteriana también presenta un muy buen perfil de aminoácidos comparado con al requerimiento nutricional de los peces, y contiene además un 10% de ácido nucléico y otros componentes que poseen un efecto positivo para la salud de los peces. Es muy importante señalar que el uso de harina bacteriana en alimentos para animales fue aprobado por primera vez en el 2005 (Council Directive No. 82/471/ EEC) y luego ampliado en el 2009 (Regulation (EC) No 767/2009) por la Unión Europea.  Al evaluar el efecto de la harina bacteriana sobre el crecimiento de peces marinos carnívoros, se demostró que ésta puede sustituir hasta el 52% de la harina de pescado de alta calidad en dietas de salmón del Atlántico y un 38% en dietas de trucha arcoíris. Además, el salmón del Atlántico y la trucha arcoíris demostraron una adaptación rápida a dietas conteniendo harina bacteriana. El grupo de investigaciones en el NMBU también demostró lo valioso que son las levaduras Candida utilis y Kluyveromyces marxianus, y la microalga Chlorella vulgaris, como fuentes proteicas en dietas de salmón del Atlántico (Grammes et al., 2013; Øverland et al., 2013). Estas levaduras tienen un alto contenido de proteína bruta y una composición de aminoácidos similar a la de la harina de pescado (Tabla 1). En detalle, las levaduras Candida utilis y Kluyveromyces marxianus lograron reemplazar el 40% de la proteína de harina de pescado de alta calidad en dietas, sin afectar negativamente el crecimiento, la retención de nutrientes, y el índice de conversión del alimento en el salmón del Atlántico (Figuras 3) (Øverland et al., 2013). Por lo tanto, los resultados sugieren que estos ingredientes microbianos son prometedores recursos alimenticios para los salmónidos.

Salmónidos alimentados con dietas conteniendo niveles moderados y elevados de harina de soya en reemplazo de harina de pescado, desarrollan una inflamación del intestino distal, que es conocida como enteritis inducida por harina de soya (SBMIE). Como el establecimiento de la SBMIE es muy reproducible en el salmón del Atlántico, la SBMIE ha sido utilizada extensivamente como modelo para investigar las respuestas digestivas e inflamatorias de los peces a la inclusión dietaría, tanto de ingredientes vegetales como de ingredientes con efectos beneficiosos para la homeostasis intestinal. Generalmente, la SBMIE es caracterizada por un conjunto de cambios en la morfología, proliferación celular, microbiota, y expresión génica del intestino distal de salmónidos. Desaparición de vacuolización supranuclear en enterocitos, ensanchamiento de la lamina propria por infiltrado inflamatorio, edema, reducción en la altura de los pliegues, y disrupción difusa de la barrera epitelial son los típicos cambios morfológicos del intestino asociados a SBMIE (Figura 4) (van den Ingh et al., 1991). La regeneración epitelial es una respuesta característica al daño tisular inducido por inflamación. Un aumento en la proliferación celular y en la migración ascendente de células epiteliales, desde la cripta hasta la punta de los pliegues en el intestino distal del salmón del Atlántico, es también descrito como signo patognómico de SBMIE. La proliferación y migración celular han sido evaluadas a través del uso de marcadores, como el antígeno nuclear de proliferación celular (PCNA) (Figura 5) (Grammes et al., 2013) y la bromodesoxiuridina (BrdU) (Chikwati et al., 2013) en epitelio intestinal de peces, respectivamente. Salmones del Atlántico cursando SBMIE, han sido recientemente caracterizados con una mayor cantidad relativa de Lactococcus lactis subsp. lactis en el intestino distal, en comparación con peces alimentados con una dieta basada en harina de pescado (Reveco et al., 2014). El rol exacto de esta mayor cantidad relativa de Lactococcus lactis subsp. lactis, el cual es un conocido probiótico, en peces con SBMIE, aún es desconocido. Los cambios en la morfología intestinal, proliferación celular y en la microbiota observados durante SBMIE, también se reflejan en la expresión de genes y proteínas que están involucradas en el mantenimiento de la homeostasis intestinal. La inmunidad de las mucosas tiene un papel relevante en el mantenimiento de la tolerancia oral, que es descrita como la falta de respuestas inmunes de parte del intestino frente a antígenos externos inocuos, como alérgenos alimentarios o antígenos de la microbiota intestinal, permitiendo así que el intestino realice normalmente diferentes funciones digestivas, que de otra manera serían alteradas a consecuencia del establecimiento de inflamación intestinal. La alteración de los procesos que participan en la presentación de antígenos, probablemente sea uno de los eventos más relevantes durante el establecimiento de la SBMIE. Por ejemplo, la expresión de genes y proteínas asociadas con el complejo mayor de histocompatibilidad (CMH), incluyendo las vías de la clase CMH I y II, es drásticamente suprimida en el intestino distal durante la SBMIE. El marcaje de proteínas mediante ubiquitinación, para una posterior degradación de proteínas por medio del proteasoma, es un proceso importante y altamente regulado en la vía CMH-I, y cuya actividad aumentada ha sido asociada con un mayor grado de inflamación intestinal. En salmones del Atlántico con SBMIE, se ha observado una activación notable de genes relacionados con la ubiquitinación, como RNF138 y LINCR, los cuales tendrían un supuesto rol en la presentación de antígenos. Curiosamente, los cambios observados en la expresión de LINCR pueden ser también asociados con las alteraciones en la composición de la microbiota intestinal observadas en peces con SBMIE, ya que, se ha descrito en humanos que ciertos productos bacterianos son capaces de inducir la expresión de LINCR en células epiteliales. Por lo tanto, LINCR podría ser sugerido como un marcador biológico, tanto para la inflamación intestinal como para cambios en la composición de la microbiota intestinal. Además, se ha descrito un aumento de la permeabilidad paracelular en el epitelio intestinal de peces con SBMIE (Knudsen et al., 2008), el cual se reflejaría también a nivel transcriptómico; así observándose una supresión de la expresión de genes relacionados con la adhesión de las células a otras células o a la matriz extracelular. Este aumento de la permeabilidad intestinal indicaría que antígenos luminales, tales como bacterias o sus productos, pueden atravesar la barrera de células epiteliales durante la SBMIE y ser capaces de llegar a tejidos extra intestinales. La enfermedad inflamatoria intestinal en humanos junto con la SBMIE son condiciones crónicas que causan cambios moleculares denominados en conjunto “respuesta celular al estrés”, que actúan para disminuir el daño celular. El aumento de la expresión de proteínas de choque térmico (HSP), especialmente la HSP70, es uno de los cambios más característicos observados en el intestino distal del salmón del Atlántico cursando SBMIE. La liberación HSPs es uno de los mecanismos más importantes de protección celular para lidiar con los factores de estrés celular, tales como la infección microbiana, la oxidación, la isquemia, la inflamación, la necrosis, la deficiencia nutricional, y las toxinas químicas. Las HSPs también tienen un rol de importancia en el sistema inmunológico de los peces, actuando como moléculas de señalización que activan la respuesta inmunitaria innata y la adaptativa y, en particular, la respuesta específica en la que intervienen los linfocitos T. La inducción de las HSPs durante la SBMIE puede relacionarse, entonces, con el aumento de infiltración inflamatoria observada en la lamina propria del intestino distal. En consecuencia, las HSPs se pueden utilizar en los salmónidos como marcadores tempranos y específicos de trastornos intestinales relacionados con la nutrición. Durante la SBMIE, el daño celular se complica aún más debido a que el sistema de defensa celular contra la oxidación causada por radicales libres y peróxidos, es aparentemente suprimido durante la SBMIE, tal como se refleja en la reducción de expresión de acuaporina- 8 y otros genes relacionados al metabolismo de glutatión. Una alteración del metabolismo de aminoácidos, lípidos, vitaminas y del colesterol, ha sido también documentada en el intestino distal de salmónidos presentando SBMIE. Por ejemplo, el metabolismo del triptófano, el cual está involucrado en la síntesis de serotonina y péptidos antimicrobianos, es suprimido durante la SBMIE y, por lo tanto, es posible que esto conduzca a movimientos desregulados del intestino y a cambios en la microbiota intestinal. El metabolismo de la cisteína es, de igual forma, drásticamente reducido durante SBMIE, lo cual podría estar relacionado con la reducción del sistema de defensa antioxidativo y del metabolismo de la bilis que se ha observado en peces con SBMIE, dado que la cisteína es un precursor limitante del glutatión y de la taurina, respectivamente. Otro hallazgo consistente en peces que presentan SBMIE, es la expresión elevada de arginasa tipo II, que es una enzima que participa en la conversión de L-arginina en poliamidas que tienen un rol importante en la proliferación celular y en la recuperación de intestinos inflamados. Una reducción en la expresión de genes relacionados al metabolismo de los lípidos y de los esteroides, es también una característica patognomónica de la SBMIE y claramente asociada con la disminuida digestibilidad de lípidos observada en salmónidos alimentados con dietas conteniendo altos niveles de harina de soya. El metabolismo de la vitamina A y B9 es también, al parecer, afectado negativamente en peces con SBMIE. La vitamina A esta implicada en el desarrollo de enterocitos, por lo que una deficiencia de vitamina A podría conducir a una defectuosa recuperación del intestino durante la SBMIE. El grupo de investigación en nutrición de peces de la NMBU, recientemente reveló que ciertos ingredientes microbianos de diferente taxón, al ser incluidos en dietas en porcentajes que van de 15 a 30%, confieren protección contra el desarrollo de SBMIE en el salmón del Atlántico a través de mecanismos de protección similares. Estos ingredientes microbianos son la harina bacteriana (principalmente, Methylococcus capsulatus), Candida utilis, Chlorella vulgaris y, hasta cierto punto, Kluyveromyces marxianus (Romarheim et al., 2011, 2013; Grammes et al., 2013). Los mecanismos de protección de estos ingredientes microbianos contra la SBMIE, incluyen la regulación de diversas vías inmunes y metabólicas a diferentes niveles (para obtener una detallada información respecto a los mecanismos de protección conferidos por los ingredientes microbianos contra SBMIE, por favor, referirse a Reveco 2013). Los posibles efectos positivos de estos ingredientes microbianos en el intestino de salmónidos alimentados con dietas con un alto nivel de harina de soya, son: 1) fortalecimiento de la barrera epitelial; 2) aumento en protección celular contra estrés oxidativo; 3) atenuación de respuestas inflamatorias dañinas; 4) restauración de funciones digestivas, absortivas, y metabólicas de los enterocitos; 5) mantenimiento de la homeostasis intestinal microbiana; 6) regeneración epitelial; y 7) restauración de la respuesta tolerogénica del epitelio intestinal (esto último, en el caso de la harina bacteriana). Así, y de acuerdo con los resultados de varios estudios, la harina bacteriana (Methylococcus capsulatus), Candida utilis, Chlorella vulgaris y, en cierta medida, Kluyveromyces marxianus, además de ser fuentes de proteínas de alto valor biológico, son ingredientes con propiedades inmunomoduladoras, capaces de mantener la homeostasis intestinal bajo condiciones de estrés, como la inflamación del intestino inducida por la harina de soya. Finalmente, estos promisorios ingredientes pueden ayudar en gran medida al desarrollo sostenible de la industria acuícola en el mundo, al ser producidos a partir de recursos naturales o biomasas no destinadas al consumo humano. Grupo de investigación en nutrición de peces del Departamento de Ciencias Animales y acuícolas de la “Norwegian University of Life Sciences”: Hansen, Jon Landsverk, Thor Mydland, Liv Torunn Mosberian, Peyman Reveco, Felipe Skrede, Anders Storebakken, Trond Øverland, Margareth

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