Accumulation of pharmaceuticals in aquaculture matrices : from fish to algae

Abstract

It is now well recognized that, to address the steep demand for fish products, aquaculture is facing unequaled growth. Larger farms and higher densities of fish usually rely on the use of pharmaceuticals to avoid disease outbreaks with associated economic losses for the producers. It is therefore of vital importance to understand the behavior of such compounds in aquaculture matrices and if residues are present upon consumption. For this reason several works on antibiotic accumulation are described in the present work. The first chapter provides a contemporary review on integrated multitrophic aquaculture systems (IMTAs), with focus on food safety issues that could be associated with it. The principle behind IMTAs is that several species from different trophic levels are co-cultured in proximity with each other, and the wastes from one species are food for others (extractive species). However, as filter organisms capable of filtering high amounts of nutrients from the surrounding waters, these extractive species will also accumulate chemicals that are used in these systems, mostly used to treat the main species of the system (usually finfish). An overview on the types of aquaculture and types of organisms used in IMTAs can be found in the review, as well as on pesticides, antiparasitics, antifoulings, persistent organic pollutants, metals, and antibiotics that can be present in such systems and food matrices. Chapter II and III focused on the retention of several antibiotics by the two main species produced in aquaculture in the Mediterranean region: Gilthead seabream (Sparus aurata) and European seabass (Dicentrarchus labrax). Based on their use in aquaculture, five antibiotics (sulfadiazine (SDZ), trimethoprim (TRI), flumequine (FLU), oxolinic acid (OXO), and oxytetracycline (OTC)) were incorporated into manufactured feeds, and their retentions in muscle tissues were analyzed. Pharmacokinetics and drug retention can vary greatly depending on several factors such as dosage regimen or mode of administration, but also with different species. Fish were placed in tanks and were manually fed with medicated feed for 7 days. Muscle samples from the dorsal area were then taken at several sampling points and analyzed for the presence of SDZ, TRI, FLU, OXO, and OTC. Antibiotic analyses on chapter II were performed following a validated multi-class quantification method developed by our working group, and in chapter III, an extension of this validation for European seabass was presented. Concentrations in edible tissues through time in European seabass were higher than the ones present in Gilthead seabream. Nonetheless, both studies suggest that antibiotics can be present in edible tissues longer than previously reported, with associated food safety concerns. For seabream, with the exception of OTC, antibiotic concentrations were below the maximum residue limit (MRL) established 3 days after the end of feeding period. Contrarily, withdrawal times of 0, 2, and 5 days were proposed for FLU, OXO, and SDZ administration in seabass, since concentrations found in edible tissues were above the MRL established by the European Commission. Concentrations of OTC and TRI were above the MRL until the end of the experiment, and considering the elimination rates, even the 21 days of withdrawal time set for salmonids may be insufficient. Following a more sustainable approach to aquaculture, IMTA systems will most certainly be the future in terms of fish and seafood production. In such systems, seaweeds can be co-cultured with a double purpose: to act as a bioremediator and mitigate the nutrient loading associated with fed aquaculture, and to increase profitability of aquacultures while maintaining costs. Their capacity to take up nutrients from the water also indicates seaweeds can accumulate pharmaceuticals and thus pose a risk upon human consumption. Therefore, Ulva’s potential to accumulate such contaminants, as well as its effects on the macroalgae were assessed for the tetracycline oxytetracycline and the quinolone enrofloxacin (ENR) in chapters IV and V, respectively. Following the recommended dosage for OTC for aquaculture (55 mg kg-1), Ulva organisms were exposed to two concentrations (C1 0.040 and C2 0.120 mg L-1) for 96h. Macroalgae presented high accumulation rates of OTC with internal concentrations above the MRL established for fish for 24h (for the highest dosage tested). Residues of OTC were still found in Ulva fronds at the end of the trials, and although at low concentrations, the presence of pharmaceuticals in extractive species used in IMTA systems must be considered with new legislations in sight. The work presented in the final chapter shows that Ulva can efficiently remove ENR from the water, indicating that it can be used for bioremediation in IMTA systems. Further works need to be addressed in order to better understand the detoxification mechanisms involved with accumulation of pharmaceuticals, since concentrations significantly decreased after 48 and 24 h (for C1 and C2 treatments, respectively). Nonetheless, following the recommended dosages for aquaculture, residues of ENR could be detected at the end of the trial, at levels comparable to the limits established for fish. Our results suggest that legislations on pharmacologically active substances must include these extractive species, as they are gaining relevance in global diets.

Atualmente é reconhecido que, de modo a fazer face à grande procura de pescado e seus derivados, o sector da aquacultura está a sofrer um crescimento sem precedentes. Aquaculturas maiores e com densidades de peixe elevadas, geralmente recorrem ao uso de produtos farmacêuticos para evitar surtos de doença que podem implicar perdas económicas significativas para os produtores. Assim, é importante compreender o comportamento destes compostos nos produtos de aquacultura, e se ainda existem resíduos aquando do seu consumo. Neste contexto, a presente tese descreve trabalhos desenvolvidos no âmbito da acumulação de antibióticos em matrizes de aquacultura. O primeiro capítulo fornece uma revisão atualizada sobre os sistemas de aquacultura multitrófica integrada (IMTAs), com principal foco nas questões de segurança alimentar associadas a estes sistemas. O princípio fundamental dos IMTAs é o de cultivar espécies de diferentes níveis tróficos em proximidade, funcionando os desperdícios de uma espécie como alimento para as seguintes (espécies extrativas). No entanto, como organismos filtradores capazes de filtrar elevadas quantidades de nutrientes das águas envolventes, estas espécies extrativas também podem acumular produtos químicos usados nestes sistemas. Uma visão geral dos tipos de aquacultura e tipos de organismos usados nos IMTAs pode ser encontrada nesta revisão, assim como de pesticidas, antiparasitários, anti-incrustantes, poluentes orgânicos persistentes, metais pesados, e antibióticos que podem estar presentes nestes sistemas e matrizes alimentares. Os capítulos II e III focam-se na retenção de vários antibióticos nas duas principais espécies produzidas em aquacultura na região do Mediterrâneo: a dourada (Sparus aurata) e o robalo (Dicentrarchus labrax). Tendo por base o seu uso em aquacultura, cinco antibióticos (sulfadiazina (SDZ), trimetoprim (TRI), flumequina (FLU), ácido oxolínico (OXO) e oxitetraciclina (OTC)) foram incorporados em rações experimentais, e a retenção no músculo dos peixes foi analisada. A farmacocinética e a retenção de compostos pode variar consideravelmente dependendo de diversos factores, tais como a dosagem ou o modo de administração, mas também de espécie para espécie. Os peixes foram colocados em tanques e alimentados à mão com as rações medicadas durante 7 dias. Amostras de músculo da área dorsal dos peixes foram posteriormente retiradas a vários tempos de amostragem e analisadas para a presença de SDZ, TRI, FLU, OXO e OTC. As análises aos antibióticos no capítulo II foram feitas com base num método de quantificação multi-classe desenvolvido pelo grupo de trabalho, e no capítulo III, uma extensão dessa validação para robalo é também apresentada. As concentrações nos músculos ao longo do tempo foram mais elevadas no robalo do que na dourada. No entanto, ambos os estudos sugerem que os antibióticos podem estar presentes em tecidos comestíveis durante mais tempo do que o que está reportado, podendo implicar um risco para a saúde humana. Para a dourada, com exceção da OTC, as concentrações de antibióticos encontravam-se abaixo do limite máximo de resíduo (MRL) 3 dias após o final do período de medicação. Pelo contrário, tempos de retirada de 0, 2 e 5 dias foram propostos para a administração de FLU, OXO, e SDZ em robalo, uma vez que as concentrações encontradas nos tecidos estavam acima do limite legal estabelecido pela Comissão Europeia. As concentrações de OTC e TRI estiveram acima do MRL até ao final da experiência, e tendo em conta as taxas de eliminação calculadas, mesmo os 21 dias de tempo de retirada estipulado para salmonídeos pode ser insuficiente. Seguindo uma abordagem mais sustentável para a aquacultura, os IMTAs serão certamente o futuro em relação à produção de pescado e seus derivados. Nestes sistemas, as macroalgas podem ser co-cultivadas com uma dupla função: atuar como biorremediadores mitigando a elevada quantidade de nutrientes associada à aquacultura dependente de ração, e ao mesmo tempo aumentar o lucro sem que aumentem os custos de produção. A sua capacidade para captar nutrientes da água é um indicador que as macroalgas podem também acumular produtos farmacêuticos, representando assim um risco para consumo humano. Assim o potencial da macroalga Ulva em acumular tais contaminantes, bem como os efeitos que estes podem causar, foram avaliados tanto para a tetraciclina oxitetraciclina como para a quinolona enrofloxacina (ENR), nos capítulos IV e V, respetivamente. Com base na dosagem de OTC recomendada para aquacultura (55 mg kg-1), discos de Ulva foram expostos a 2 concentrações (C1 0.040 e C2 0.120 mg L-1) durante 96h. A macroalga apresentou taxas elevadas de acumulação de OTC, com concentrações internas acima do MRL estipulado para peixe durante 24h (para a dosagem mais alta). Resíduos de OTC foram quantificados nos tecidos de Ulva no final dos ensaios, e apesar das concentrações baixas, a presença de compostos farmacêuticos em espécies extrativas usadas em IMTAs tem de ser considerada com novas legislações em vista. O trabalho apresentado no último capítulo demonstra que a Ulva pode remover com eficiência ENR da água, o que indica que pode ser usada para biorremediação em IMTAs. Será necessário desenvolver novos ensaios laboratoriais de modo a perceber melhor os mecanismos de detoxificação que estão envolvidos na acumulação de fármacos, uma vez que as concentrações diminuíram significativamente depois de 48 e 24 h (para os tratamentos C1 e C2, respetivamente). No entanto, seguindo as dosagens recomendadas para aquacultura, resíduos de ENR puderam ser detectados até ao final dos ensaios, a níveis comparáveis aos limites estabelecidos para peixe. Os resultados obtidos sugerem que a legislação para substâncias farmacologicamente ativas deve incluir também estas espécies extrativas, uma vez que elas estão a ganhar relevância nas dietas globais.