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Development of models for European seabass feed intake prediction
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Authors
Abstract(s)
The aquaculture production of finfish has become one of the fastest-growing animal food-producing sectors worldwide and is today a key provider of seafood. As the magnitude of production expands, so does the probability that new biological, economic, and social issues will emerge, posing a threat to the industry's ability to maintain ethically sound, productive, and ecologically friendly fish production. To combat these challenges, mathematical models of feed intake, in particular, have become essential tools in aquaculture, both in commercial and research circumstances. Feed intake in the scientific literature is usually modelled as a function of BW and temperature, while other important environmental and nutritional factors are often neglected. This thesis aims to improve European seabass feed intake modelling by developing feed, energy, and nutrient intake models that explicitly consider dissolved oxygen's effects and combine them to predict feed intake under different environmental and nutritional contexts. To achieve this, three major tasks were set. In Task 1, data from publicly available sources (aquafeed companies and scientific literature) was used to generate oxygen-independent intake models of feed (FI), energy (EI), protein (PI), and lipid (LI) intake models. In Task 2, data from three European seabass (Dicentrarchus labrax) trials showed that: feed gross energy had a negative marginal effect on FI and PI, and a positive marginal effect on LI, and no clear effect on EI; dissolved oxygen had a positive marginal effect on FI, EI, PI, and LI; and no clear evidence of “oxygen × nutrient” interaction effects was observed. In Task 3, two oxygen-dependent models (sigmoid and segmented) were developed to isolate the effects of dissolved oxygen on the FI, EI, PI, and LI intake responses. These models were then evaluated regarding their capacity to predict observed feed intake rates in Trials 1, 2, and 3. This work showed that the addition of oxygen effects largely led to improved predictions, and that the feed intake prediction errors of the models generally range from 32 to 40% (either in sigmoid or piecewise-linear form). The comparison of the different models also revealed that the feed intake model based on EI seems to display the lowest error levels and also displayed the largest improvement when adding the effect of oxygen. The opposite was observed for LI.
A indústria da aquacultura é um dos sectores da produção animal com maior crescimento a nível mundial, e a sua intensificação está a tornar-se cada vez mais proeminente. Entre 1961 e 2017, o aumento médio anual da procura global de proteína proveniente de peixe para consumo humano foi de 3,1%, o que excedeu o crescimento médio da população mundial de 1,6%, e o aumento da procura de outros alimentos com proteínas animais, como carne, lacticínios e leite, que corresponderam a 2,1%. Em 2018, a produção global de peixe atingiu um pico de cerca de 179 milhões de toneladas, das quais 156 milhões de toneladas foram utilizadas para consumo humano (20,5 kg per capita), sendo que a produção aquícola foi responsável por cerca de 52% deste valor. A aquacultura enfrenta árduos desafios, tais como a necessidade de aperfeiçoar sucessivamente a eficiência da produção, a sustentabilidade ambiental, a rentabilidade e a qualidade dos produtos, assegurando ao mesmo tempo a saúde e o bem-estar dos peixes. Um factor significativo que condiciona a eficiência da produção e a eficiência alimentar é a ingestão de rações (feed intake FI). Na aquacultura intensiva, a alimentação é o principal insumo e constitui a maior fração dos custos de produção, o que justifica a importância de ajustar as taxas de alimentação recomendadas às taxas de ingestão voluntária de ração (FI) dos peixes. Geralmente, a maioria das estratégias de alimentação tem como fundamentos a utilização de tabelas de alimentação fornecidas pelos fabricantes de rações e, a intuição e experiência do trabalhador, o que pode levar a taxas de alimentação sub-óptimas. Para responder a estes desafios, o sector está a transitar rapidamente para a utilização de ferramentas de apoio à decisão baseadas na monitorização em vídeo ou hidroacústica, que juntamente com modelos matemáticos, descrevem/preveem a ingestão de alimento, o crescimento dos peixes, a conversão alimentar e a produção de resíduos. Contudo, tabelas de alimentação baseiam-se principalmente na temperatura e no peso corporal do peixe (BW) e não consideram explicitamente outros factores importantes, tais como o oxigénio dissolvido (DO). Do mesmo modo, os modelos de consumo de ração descritos na literatura científica centram-se geralmente apenas nos efeitos do BW e da temperatura, ignorando os efeitos da DO e dos factores nutricionais. Neste estudo, procurámos aperfeiçoar a modelação do consumo alimentar do robalo europeu (Dicentrarchus labrax) através do desenvolvimento de modelos de consumo de alimento (FI), de energia (EI), de proteína (PI) e de lípidos (LI) que, considerem explicitamente os efeitos do oxigénio dissolvido (DO) e os combinem de forma que seja possível estimar o consumo alimentar em diferentes contextos ambientais e nutricionais. Para desenvolver estes modelos, foram definidas três tarefas principais. A tarefa 1, teve como objetivo, caracterizar os efeitos do peso corporal (BW) e da temperatura na ingestão de alimento, da energia e de nutrientes no robalo europeu. Para a completar este objetivo, foram extraídos dados de fontes públicas (de empresas de rações e da literatura científica) que permitiram gerar modelos de ingestão de alimento (FI), de energia (EI), de proteína (PI), e de lípidos (LI) independentes do oxigénio. A tarefa 2, teve como objetivo, caracterizar o efeito do oxigénio dissolvido na ingestão de alimento (FI), de energia (EI), de proteína (PI), e de lípidos (LI) no robalo europeu. Para completar este objetivo, foram desenhados 3 ensaios com o robalo europeu. O primeiro ensaio permitiu caracterizar o efeito marginal da energia bruta no consumo de alimento. Neste ensaio, os resultados sugerem que a ingestão de energia bruta teve um efeito marginal negativo sobre FI e PI, e um efeito marginal positivo sobre LI, contudo, nenhum efeito significativo foi registado para EI. O segundo ensaio permitiu caracterizar o efeito marginal do nível de oxigénio dissolvido no consumo de alimento. Neste ensaio, os resultados sugerem que DO teve um efeito marginal positivo sobre FI, EI, PI, e LI, relativamente à dieta E2. O terceiro ensaio, juntamente com a informação recolhida nos dois ensaios anteriores, não revelou qualquer evidência significativa de uma interação "oxigénio × nutriente", mas permitiu confirmar que os resultados observados nas análises separadas do ensaio 1 (efeitos marginais da energia bruta na ingestão de alimento) e do ensaio 2 (efeitos marginais do oxigénio dissolvido na ingestão de alimento) foram consistentes e coerentes com a análise conjunta dos ensaios 1, 2 e 3. A tarefa 3, teve como objetivo desenvolver e avaliar modelos de previsão de FI do robalo europeu que tivessem em conta explicitamente os efeitos do peso corporal, da temperatura, do oxigénio dissolvido, e de factores nutricionais. Com base neste trabalho, um conjunto de dois modelos dependentes de oxigénio (sigmoide e segmentado) foram desenvolvidos para isolar os efeitos do oxigénio dissolvido sobre as respostas de FI, EI, PI e LI. Estes modelos foram posteriormente avaliados na sua aptidão de prever as taxas de ingestão de alimento observadas nos ensaios 1, 2, e 3. Esta avaliação demonstrou que a inclusão do efeito do oxigénio levou em grande medida à melhoria da previsão. A comparação entre os diferentes modelos também revelou que o modelo de ingestão de alimento baseado em EI parece apresentar os níveis de erro mais baixos e também apresentou a maior melhoria de previsão ao adicionar o efeito do oxigénio. O contrário foi observado para o LI.
A indústria da aquacultura é um dos sectores da produção animal com maior crescimento a nível mundial, e a sua intensificação está a tornar-se cada vez mais proeminente. Entre 1961 e 2017, o aumento médio anual da procura global de proteína proveniente de peixe para consumo humano foi de 3,1%, o que excedeu o crescimento médio da população mundial de 1,6%, e o aumento da procura de outros alimentos com proteínas animais, como carne, lacticínios e leite, que corresponderam a 2,1%. Em 2018, a produção global de peixe atingiu um pico de cerca de 179 milhões de toneladas, das quais 156 milhões de toneladas foram utilizadas para consumo humano (20,5 kg per capita), sendo que a produção aquícola foi responsável por cerca de 52% deste valor. A aquacultura enfrenta árduos desafios, tais como a necessidade de aperfeiçoar sucessivamente a eficiência da produção, a sustentabilidade ambiental, a rentabilidade e a qualidade dos produtos, assegurando ao mesmo tempo a saúde e o bem-estar dos peixes. Um factor significativo que condiciona a eficiência da produção e a eficiência alimentar é a ingestão de rações (feed intake FI). Na aquacultura intensiva, a alimentação é o principal insumo e constitui a maior fração dos custos de produção, o que justifica a importância de ajustar as taxas de alimentação recomendadas às taxas de ingestão voluntária de ração (FI) dos peixes. Geralmente, a maioria das estratégias de alimentação tem como fundamentos a utilização de tabelas de alimentação fornecidas pelos fabricantes de rações e, a intuição e experiência do trabalhador, o que pode levar a taxas de alimentação sub-óptimas. Para responder a estes desafios, o sector está a transitar rapidamente para a utilização de ferramentas de apoio à decisão baseadas na monitorização em vídeo ou hidroacústica, que juntamente com modelos matemáticos, descrevem/preveem a ingestão de alimento, o crescimento dos peixes, a conversão alimentar e a produção de resíduos. Contudo, tabelas de alimentação baseiam-se principalmente na temperatura e no peso corporal do peixe (BW) e não consideram explicitamente outros factores importantes, tais como o oxigénio dissolvido (DO). Do mesmo modo, os modelos de consumo de ração descritos na literatura científica centram-se geralmente apenas nos efeitos do BW e da temperatura, ignorando os efeitos da DO e dos factores nutricionais. Neste estudo, procurámos aperfeiçoar a modelação do consumo alimentar do robalo europeu (Dicentrarchus labrax) através do desenvolvimento de modelos de consumo de alimento (FI), de energia (EI), de proteína (PI) e de lípidos (LI) que, considerem explicitamente os efeitos do oxigénio dissolvido (DO) e os combinem de forma que seja possível estimar o consumo alimentar em diferentes contextos ambientais e nutricionais. Para desenvolver estes modelos, foram definidas três tarefas principais. A tarefa 1, teve como objetivo, caracterizar os efeitos do peso corporal (BW) e da temperatura na ingestão de alimento, da energia e de nutrientes no robalo europeu. Para a completar este objetivo, foram extraídos dados de fontes públicas (de empresas de rações e da literatura científica) que permitiram gerar modelos de ingestão de alimento (FI), de energia (EI), de proteína (PI), e de lípidos (LI) independentes do oxigénio. A tarefa 2, teve como objetivo, caracterizar o efeito do oxigénio dissolvido na ingestão de alimento (FI), de energia (EI), de proteína (PI), e de lípidos (LI) no robalo europeu. Para completar este objetivo, foram desenhados 3 ensaios com o robalo europeu. O primeiro ensaio permitiu caracterizar o efeito marginal da energia bruta no consumo de alimento. Neste ensaio, os resultados sugerem que a ingestão de energia bruta teve um efeito marginal negativo sobre FI e PI, e um efeito marginal positivo sobre LI, contudo, nenhum efeito significativo foi registado para EI. O segundo ensaio permitiu caracterizar o efeito marginal do nível de oxigénio dissolvido no consumo de alimento. Neste ensaio, os resultados sugerem que DO teve um efeito marginal positivo sobre FI, EI, PI, e LI, relativamente à dieta E2. O terceiro ensaio, juntamente com a informação recolhida nos dois ensaios anteriores, não revelou qualquer evidência significativa de uma interação "oxigénio × nutriente", mas permitiu confirmar que os resultados observados nas análises separadas do ensaio 1 (efeitos marginais da energia bruta na ingestão de alimento) e do ensaio 2 (efeitos marginais do oxigénio dissolvido na ingestão de alimento) foram consistentes e coerentes com a análise conjunta dos ensaios 1, 2 e 3. A tarefa 3, teve como objetivo desenvolver e avaliar modelos de previsão de FI do robalo europeu que tivessem em conta explicitamente os efeitos do peso corporal, da temperatura, do oxigénio dissolvido, e de factores nutricionais. Com base neste trabalho, um conjunto de dois modelos dependentes de oxigénio (sigmoide e segmentado) foram desenvolvidos para isolar os efeitos do oxigénio dissolvido sobre as respostas de FI, EI, PI e LI. Estes modelos foram posteriormente avaliados na sua aptidão de prever as taxas de ingestão de alimento observadas nos ensaios 1, 2, e 3. Esta avaliação demonstrou que a inclusão do efeito do oxigénio levou em grande medida à melhoria da previsão. A comparação entre os diferentes modelos também revelou que o modelo de ingestão de alimento baseado em EI parece apresentar os níveis de erro mais baixos e também apresentou a maior melhoria de previsão ao adicionar o efeito do oxigénio. O contrário foi observado para o LI.
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Keywords
European seabass Mathematical models Feed intake Energy intake Gross Energy Dissolved oxygen