BENESSERE NEI SISTEMI ACQUATICI: DALLE CONDIZIONI AMBIENTALI ALLE NANOTECNOLOGIE PER LA SOMMINISTRAZIONE DI PRINCIPI ATTIVI

Farmed animal welfare is the chief topic of many research projects, even if with a focus on terrestrial species. Nonetheless, even the aquatic ones deserve to be considered and especially fish. Aquaculture, in fact, is a globally growing industry, since a large variety of fish is consumed as an essential source of protein and healthy lipids for human nutrition. Among the different aspects that alter farmed fish welfare, diet plays a critical role: an unbalanced nutrition may indeed severely affect fish health. In addition, non-optimal water quality and common aquaculture practices, such as transportation, are also well-known stressful conditions. The first contribution of this Ph.D. thesis compares the effects of organic vs conventional feeding on the growing performances and welfare of European sea bass. Insulin-like growth factors and oxidative stress and contaminant markers were evaluated through immunohistochemical and biomolecular analyses. Although conventional diet gave the best results in terms of production, groups fed with the organic one also showed a positive growth trend and importantly no negative effects on fish welfare were observed. The second contribution evaluates growth and stress response of gilthead seabream juveniles exposed to different stressors (temperature, salinity, ammonia content), using a multidisciplinary approach, which included radioimmunological, molecular and immunohistochemical techniques. Results revealed that all the tested stressors had an impact on fish growth and health, particularly thermic and chemical exposure, whereas salinity had a minor effect since this species can efficiently face with extreme variations in environmental salinity. The third contribution assesses meagre juveniles’ response due to transport stress. Cortisol levels, glucocorticoid receptor and oxidative stress markers’ expression have been evaluated. Results revealed that fish were stressed during loading, recovering at the end of the transport, even if without returning to basal levels. Aquaculture is an important economic sector worldwide facing an ongoing threat from infectious diseases. To overcome the disadvantages of the widespread use of antibiotics, the application of nanoparticles and the development of new nanoantibiotics represent a salution to reduce their quantitites. The last contribution demonstrates how flumequine (FLU) nano-immobilized on iron oxide nanoparticles (SAMN@FLU) showed good colloidal stability, recoverability by the application of a magnetic field and in vitro efficacy against Aeromonas veronii. Moreover, as a first step for an in vivo trial, the therapeutic effect of SAMN@FLU was tested on a model aquatic organism, Daphnia magna, which showed high tolerability to the tested complex. Finally, a further chapter investigates in depth the observed antimicrobial efficacy of the SAMN@FLU complex. D. magna daphnids were exposed to a controlled bacterial infection and the antimicrobial activity of the SAMN@FLU complex was compared with that of the free antibiotic. Since experiments are still in progress, only preliminary results are reported in this last chapter. In conclusion, the following Ph.D. thesis provides useful tools to improve aquatic animal life conditions, from the assessment of fish growth and stress in response to changes in environmental conditions to the encouraging use of an innovative nanocarrier for antibiotic administration in reared fish species.

Il benessere degli animali allevati è l'argomento principale di molti progetti di ricerca, anche se con particolare riferimento a quelli terrestri. Tuttavia, anche quelli acquatici meritano di essere considerati, ed in particolare i pesci. L'acquacoltura, infatti, è un'industria in rapida crescita, poiché l’uomo consuma una grande varietà di pesce come fonte essenziale di proteine e acidi grassi polinsaturi. Tra i diversi aspetti che influenzano il benessere dei pesci in allevamento, la dieta gioca un ruolo fondamentale: infatti, un'alimentazione squilibrata incide negativamente sulla loro salute. Inoltre, una qualità dell’acqua non ottimale e alcune pratiche comuni, come il trasporto, sono note condizioni di stress. Il primo contributo della presente tesi confronta gli effetti di un’alimentazione biologica rispetto ad una convenzionale sulle performance di crescita e sul benessere del branzino europeo. Attraverso un’analisi immunoistochimica e biomolecolare, sono stati valutati i fattori di crescita insulino-simili ed i marcatori di stress ossidativo e di contaminazione ambientale. Sebbene la dieta convenzionale abbia dato i migliori risultati in termini di produzione, anche i gruppi alimentati con quella biologica hanno mostrato una crescita positiva nel tempo e, soprattutto, non sono stati osservati effetti negativi sulla salute dei pesci. Il secondo contributo valuta la crescita e la risposta allo stress di giovanili di orata esposti a diversi fattori stressanti (variazioni di temperatura, salinità e ammoniaca), attraverso un approccio multidisciplinare che include le tecniche radioimmunologica, molecolare e immunoistochimica. I risultati hanno rivelato che tutti i fattori di stress testati hanno avuto un impatto sulla crescita e sulla salute dei pesci, in particolare l'esposizione a temperatura e a livelli di ammoniaca elevati, mentre la salinità ha avuto un effetto minore dal momento che questa specie è in grado di affrontare in modo efficiente variazioni estreme della salinità ambientale. Il terzo contributo riguarda la risposta allo stress da trasporto di giovanili di ombrina boccadoro. Sono stati misurati i livelli di cortisolo e di espressione del recettore dei glucocorticoidi e dei marcatori dello stress ossidativo. I risultati hanno dimostrato che i pesci subiscono uno stress durante l’operazione di carico, recuperando alla fine del trasporto, pur senza tornare ai livelli basali. L'acquacoltura è un importante settore economico a livello mondiale che si trova a fronteggiare una continua minaccia rappresentata dalle infezioni batteriche. Per proteggere le specie allevate è necessario ricorrere al massiccio impiego di antibiotici. L’utilizzo di nanoparticelle e lo sviluppo di nuovi nanoantibiotici rappresentano una soluzione per ridurne le quantità. L’ultimo contributo dimostra come la flumechina (FLU) nano-immobilizzata su nanoparticelle di ossido di ferro (SAMN@FLU) mostri una buona stabilità colloidale, recuperabilità mediante l'applicazione di un campo magnetico ed efficacia in vitro contro Aeromonas veronii. Inoltre l'effetto terapeutico di SAMN@FLU è stato testato su un organismo acquatico modello, Daphnia magna, che ha mostrato un'elevata tollerabilità al complesso testato. Infine, l’ultimo capitolo indaga più approfonditamente l'osservata efficacia antimicrobica del complesso. In via preliminare, dafnidi di D. magna sono stati esposti ad un'infezione batterica controllata e l’azione antimicrobica del complesso SAMN@FLU è stata confrontata con quella dell'antibiotico libero. In conclusione, la seguente tesi di dottorato considera come migliorare il benessere degli animali acquatici, a partire dalla valutazione della crescita e dello stress dei pesci in risposta a cambiamenti nelle condizioni ambientali fino al potenziale uso di un nuovo nanomateriale per la somministrazione di antibiotici in specie di interesse per l’acquacoltura.