Ecological modelling to describe the role of light on microbial interactions in Ulva spp. with implications in aquaculture

Abstract

Com a população mundial a aumentar e as quotas de pesca a estagnar, são necessárias novas formas de produzir alimentos de origem marinha sem comprometer o ambiente. Uma destas formas é através da Aquacultura Multi-Trófica Integrada num Sistema de Recirculação de Água (IMTA-RAS). Um dos maiores problemas das produções intensivas é o dos agentes patogénicos ou oportunistas que podem causar uma taxa de mortalidade dos peixes da ordem dos 75% ou mesmo superior. Num sistema do tipo IMTA-RAS, são necessárias pelo menos duas espécies, uma alimentada (como os peixes) e outra extrativa (como, por exemplo, as algas) capaz de remover os nutrientes orgânicos e inorgânicos da água. Neste trabalho, consideramos Ulva ohnoi, uma espécie que tem atraído grande atenção devido à sua facilidade de cultivo, produtividade, elevado teor proteico, e outros nutrientes essenciais. As comunidades bacterianas associadas a Ulva spp. desempenham um papel funcional importante tanto na morfogénese como na reprodução de algas. Uma espécie bacteriana específica encontrada na superfície de Ulva, Phaeobacter gallaeciensis, pode produzir um antibiótico natural atuando contra agentes patogénicos oportunistas como o agente patogénico dos peixes, Vibrio anguillarum. No entanto, a retenção de Phaeobacter gallaeciensis na superfície das algas é afetada pelas condições de funcionamento do sistema IMTA. Mais especificamente, na intensidade da luz. Aqui propusemos a formulação de um modelo ecológico para ter em conta esses efeitos e descrever como a intensidade da luz afeta as interações entre espécies: alga - microbioma bacteriano - Phaeobacter. Para este propósito, primeiro foi realizada uma experiência para obter dados de crescimento das espécies com diferentes intensidades de luz. Os dados foram então utilizados para identificar iterativamente um modelo Lotka-Volterra. Foi realizada uma análise de identificabilidade, o que levou a um modelo reduzido. Posteriormente, utilizando uma abordagem de estimativa de parâmetros multi-experimental, foram estimados os tipos de interações e a sua dependência da intensidade luminosa. Os resultados finais revelam que a taxa de crescimento das algas depende da intensidade da luz. No entanto, intensidades mais elevadas podem ser prejudiciais. Além disso, as melhores condições de crescimento das algas parecem ser as piores para a retenção de Phaeobacter. Embora estes resultados necessitem de mais validação experimental, concluímos que a intensidade da luz deve ser seleccionada para obter bons compromissos entre o crescimento das algas e a produção de antibióticos naturais.

With the world’s population increasing and fishing quotas stagnating, new ways to produce marine food without compromising the environment are needed. One of these ways is through Integrated Multi Trophic Aquaculture in a water Recirculation System (IMTA-RAS). One of the greatest problems of intensive productions is the opportunistic pathogens that can cause a mortality rate of fish on the order of 75% or even higher. In an IMTA-RAS type of system, at least two species are needed, one fed (like fish) and other extractive (like, for example, algae) capable of removing organic and inorganic nutrients from the water. In this work, we considered Ulva ohnoi, a species that has attracted important attention due to its ease of cultivation, productivity, high protein content, and other essential nutrients. The bacterial communities associated with Ulva spp. play an important functional role in both morphogenesis and algae reproduction. A particular bacterial species found on the surface of Ulva, Phaeobacter gallaeciensis, can produce a natural antibiotic acting against opportunistic pathogens as fish pathogen, Vibrio anguillarum. However, the retention of Phaeobacter gallaeciensis on the surface of the algae is affected by the operating conditions of the IMTA system. More specifically, on light intensity. Here we proposed the formulation of an ecological model to account for those effects and describe how light intensity affects the interactions between species: algae - bacterial microbiome - Phaeobacter. For this purpose, an experiment was first performed to obtain species growth data at different light intensities. The data were then used to iteratively identify a Lotka-Volterra model. Identifiability analysis was performed, which led to a reduced model. Afterwards, using a multi-experiment parameter estimation approach, the types of interactions and their dependence on the light intensity were estimated. The final results reveal that the algae growth rate depends on the light intensity. However, higher intensities can be detrimental. In addition, the best algae growth conditions appear to be the worst for retention of Phaeobacter. Although these results need further experimental validation, we concluded that light intensity must be selected to obtain good compromises between algae growth and the production of natural antibiotics.