Improving welfare assessment in fish : behavioural stress indicators and daily rhythms for precision aquaculture

Abstract

En los últimos años, el bienestar animal ha recibido mayor atención tanto en la sociedad como en la investigación científica, impulsado por preocupaciones crecientes acerca de las implicaciones éticas en las prácticas de cultivo animal. Esta inquietud ha conllevado a regulaciones más estrictas, a una mayor demanda por parte de los consumidores por productos certificados y a una conciencia social más amplia acerca de las condiciones de vida de los animales. Aunque se han logrado avances significativos en animales terrestres, el bienestar de animales acuáticos sigue sin ser abordado adecuadamente. De hecho, a pesar de la robusta evidencia que respalda la capacidad de los peces para experimentar dolor, estrés y malestar, el bienestar de los peces no está aún garantizado en las prácticas de cultivo. Esta tesis doctoral tuvo como objetivo mejorar la evaluación del bienestar animal en peces mediante el desarrollo de indicadores no invasivos de estrés y el análisis de los ritmos diarios en las respuestas al estrés. Además, se exploraron estrategias para potenciar el bienestar de los peces a través de la optimización de prácticas de manejo que tengan en cuenta la hora del día, la etapa del desarrollo, las interacciones sociales y el impacto de piensos acuícolas sostenibles. Mediante una serie de experimentos, esta tesis evaluó las respuestas especie-específicas al estrés en especies modelo y de cultivo —incluyendo la tilapia del Nilo (Oreochromis niloticus), la tenca (Tinca tinca), la carpa koi (Cyprinus carpio), el rodaballo (Scophthalmus maximus), la dorada (Sparus aurata) y el pez cebra (Danio rerio). El Capítulo 1 se centró en identificar indicadores comportamentales de estrés en especies de cultivo de importancia económica que han recibido poca atención en la investigación científica sobre bienestar. Los resultados evidenciaron marcadores de estrés específicos para cada especie, resaltando la importancia de desarrollar protocolos de bienestar adaptados que aseguren evaluaciones precisas y mejoren la calidad de vida de los animales. Además, este capítulo exploró el rol de los individuos de la misma especie en la reducción de las respuestas al estrés en especies de cultivo. El Capítulo 2 investigó la presencia de ritmos diarios en las respuestas al estrés de especies modelo y de cultivo, tanto diurnas como nocturnas, revelando que estas respuestas varían no solo según la hora del día, sino también de acuerdo con los patrones de actividad particulares de cada especie. Asimismo, los resultados mostraron que la modulación diaria del estrés depende de otros factores, como la edad de los individuos y el entorno social. En el Capítulo 3 se evaluaron los efectos de dietas sostenibles que incorporan fuentes alternativas de alimentación, como la quinoa y la espirulina, sobre el bienestar de la tilapia del Nilo. Aunque estas dietas demostraron potenciales beneficios para la resiliencia al estrés, también se observaron dificultades en cuanto a la palatabilidad y el rendimiento en el crecimiento. El Capítulo 4 trasladó la investigación a un contexto industrial al examinar las variaciones diarias en la calidad del agua dentro de un sistema acuapónico desacoplado a gran escala. Finalmente, la discusión general integró los hallazgos de los estudios experimentales e industriales, apoyando el uso de indicadores comportamentales de estrés y pruebas de comportamiento para evaluar el bienestar de los peces, al tiempo que destacó la necesidad de prácticas de manejo específicas para cada especie, orientadas a minimizar el estrés y mejorar las condiciones de vida animal. En conjunto, esta tesis ofrece valiosos conocimientos sobre la investigación del bienestar animal en peces, al mejorar las evaluaciones existentes y explorar estrategias innovadoras para potenciar el bienestar. Así, esta tesis pretende apoyar el desarrollo de prácticas más precisas y éticamente responsables en acuicultura.

In recent years, animal welfare has gained increased attention in both society and scientific research, driven by rising concerns about the ethical implications of farming practices. This concern has led to stricter welfare regulations, higher consumer demand for welfare-certified products, and broader social awareness of the living conditions of farmed animals. While significant progress has been made for terrestrial animals, the welfare of aquatic animals remains insufficiently addressed. Indeed, despite robust evidence supporting that fish can experience pain, stress, and discomfort, fish welfare is still not adequately ensured across farming practices. This doctoral thesis aimed to improve fish welfare assessment by developing non-invasive indicators of stress and examining daily rhythms in stress responses. Furthermore, this research explored strategies to enhance fish welfare by refining management practices that consider the time of day, developmental stage, social interactions, and the impact of sustainable aquafeeds. Through a series of experiments, this thesis evaluated species-specific stress responses in model and farmed species— including Nile tilapia (Oreochromis niloticus), tench (Tinca tinca), koi carp (Cyprinus carpio), turbot (Scophthalmus maximus), gilthead seabream (Sparus aurata) and zebrafish (Danio rerio). Chapter 1 focused on identifying behavioural stress indicators in economically important farmed species that have received little attention in welfare research. Our results highlighted species-specific markers of stress and the importance of developing tailored welfare protocols to ensure accurate assessments and improve animal welfare. This chapter also explored the role of conspecifics in reducing stress responses in farmed species. Chapter 2 investigated the presence of daily rhythms in stress responses in both diurnal and nocturnal fish models and farmed species, revealing that stress responses vary not only with the time of day but also according to species-specific activity patterns. Besides, our results showed that daily modulation of stress depends on other factors such as the age of individuals and social environment. Chapter 3 evaluated the effects of sustainable diets containing alternative feed sources, such as quinoa and spirulina, on Nile tilapia welfare. Although these diets showed potential benefits for stress resilience, issues with palatability and growth performance were also observed. Chapter 4 extended the research to an industrial context by examining daily variations in water quality within a large-scale decoupled aquaponic system. Lastly, the general discussion integrated findings from the experimental and industrial studies, supporting the use of behavioural stress indicators and behavioural tests to assess fish welfare. Moreover, it highlighted the necessity of species-specific management practices to minimise stress and improve fish living conditions. Overall, this thesis offers valuable insights into fish welfare research by improving fish welfare assessments and exploring innovative strategies to enhance animal welfare. Thus, this thesis aims to support the development of more precise and ethically sound aquaculture practices.