Development of a cost-effective system for ovoviviparous production of Artemia nauplii at low-salinity as live food for the larvae of the African catfish (Clarias gariepinus: Burchell, 1822)

Bwala, Richard (2019-04)

Thesis (PhDAgric)--Stellenbosch University, 2019.

Thesis

ENGLISH ABSTRACT: The brine shrimp Artemiais a small crustacean used as live food in fish and shell fish culture. Among other live food types which are commonly used in aquaculture, Artemia is widely known and accepted mainly due to the ease with which it can be used in hatcheries either in the form of nauplii, hatched from cysts, or as decapsulated cysts which are sold as off-the-shelf products. Supply of cysts has been hampered due to discontinuity of Artemia distribution in natural biotopes, meteorological fluctuations, climatological changes and possible overharvesting of resources. This has led to instability and resulted in fluctuations and sometimes reduction ofthe global production. Hence regional cyst supply has been insured in many places through artificial inoculation and man-managed production in salt ponds. Hatcheries in sub-Saharan Africa have so far relied on importation of product of variable quality, thereby adversely affecting fish production efficiency and reducing the competitiveness of aquaculture in this region. This research work contributes to the knowledge on the alternative ways for the supply of Artemia as live food for use in hatcheries. Firstly, literature was reviewed focusing on the general overview of the status of aquaculture globally and within the sub-Saharan region of Africa; the taxonomy, biology, culture and applications of Artemia; on the taxonomy, biology and aquaculture production of the African catfish Clarias gariepinus, and the requirement of live food for their larvae. Among other challenges which aquaculture faces in Africa, a common re-occurring factor identified is the insufficiency or non-availability of fish seed which in turn has been partly associated to the scarcity of live food which is an essential component in the hatchery production of the larvae of many cultured fish species. Secondly, data are presented on a study of low salinity (0 – 32 g L-1) culture of Artemia using four strains from two bisexual [Great Salt Lake (GSL), Vinh Chau (VC)] and two parthenogenetic [Tuz (TUZ), Balikun (BLK)] populations. Laboratory tests were performed, firstly, to measure axenically the survival of instar I and II at low salinity during a 48 h period. The use of the two instars was based on the hypothesis that ambient salinity does not affect the embryo and instar I nauplii of Artemia, and to assess if using instar II nauplii to inoculate culture would affect survival. Similarly, survival of the Artemia at two inoculation ages (i.e. nauplii and pre-adult) was tested xenically over a nine days period at these low salinities. The two inoculation ages were used based on the hypothesis that mortality rate usually reduces as Artemia attains maturity. Results of both tests showed that the low salinity influenced survival with respect to the strain types. With respect to the two instar developmental stages, no difference was observed as a result of the low salinities tested. With regard to the inoculation ages, no differences were also observed among the salinities tested, except atlower (5 g L-1) salinity where the lowest survival was recorded. Furthermore, a test on the effect of low salinity on the reproductive and life traits showed that both salinity and strain had an influence on the parameters measured. Generally, high survival was observed at those low salinities where survival occurred, but the highest was recorded at 20 and 32 g L-1 (control) salinity. Overall the best performance in terms of the reproductive and life traits measured was observed with the Great Salt Lake (GSL) strain. In particular, the GSL strain had the highest total offspring as well as the number of offspring produced as nauplii. We conclude that 20 g L-1 salinity and the GSL strain are the most suitable for use in mass culture. Subsequently, this research work also presents a study assessing the effect of five locally sourced agricultural based materials (Oat pellet, canola pellet, barley pellet, whole barley grain, whole wheat grain) as sole diet on growth and survival, and their suitability for maintaining a reproducing population of GSL Artemia franciscana at low (20 g L-1) salinity. Two separate tests were conducted which involved firstly a nine days small scale (using 500 mL glass bottles) feeding experiment in order to screen and select suitable feed material(s), followed by up-scaling and a mass culture of Artemia from the nauplii stage and through the reproductive stage (43 days), using the selected feed material(s). Both the screening and the up-scaled biomass tests showed that feed type influences the growth and survival of the animals, whereby feeding a stock suspension prepared from barley pellet resulted in better performance than feeding with the other feed materials. The up-scaled biomass test confirmed that the barley pellet diet could be used for the culture of actively reproducing biomass of the GSL strain of Artemia franciscana. During the reproductive period of the biomass daily nauplii harvest was achieved over a period of 22 days, after which the culture was terminated when nauplii production reduced consistently. Despite low levels of nutrients of the different feed materials, the adults fed with the test feed and the nauplii produced ovoviviparously were found to contain appreciable levels of protein, essential and non-essential amino acids as well as saturated, mono-unsaturated and poly-unsaturated fatty acids in their tissues. In order to achieve higher nauplii production, however, feed manipulation, contrary to feeding with sole diets may yield better results. The suitability of the ovoviviparously produced nauplii was tested by feeding them directly to catfish Clarias gariepinus larvae in comparison with oviparously produced nauplii and decapsulated cysts. Higher survival, better protein efficiency ratio and food conversion ratio were observed in catfish larvae fed with the ovoviviparous nauplii. We conclude that the ovoviviparous nauplii could serve as an alternative live food for larval fish. The economic viability of using the ovoviviparously produced nauplii at the current production capacity of the developed pilot system versus the use of the imported Artemia cysts was analyzed. Cost analysis of producing an individual C. gariepinus larva fed with the ovoviviparously produced Artemia nauplii was found to be 2.15 USD while the cost involved to produce the fish larva fed with locally shopped imported decapsulated Artemia cysts was approximately 0.002 USD. The result of the analysis clearly shows that at the current capacity of the developed nauplii production system, the cost of feeding anindividual C. gariepinus larva is far higher than when the imported decapsulated cysts are utilized. However, there is still a lot of room for optimisation of many aspects of our production system, so that the result of the above comparison may be altered in favour of the use of ovoviviparous nauplii. Moreover, the overall benefits of using the ovoviviparous nauplii should not only be anchored on monetary terms but also on the associated benefits such as fish larval growth, survival rate and postlarval quality, constant and predictable quality of the live food offered to the fish larvae, self-reliance of live food production etc. Finally, the overall results of this work are discussed in the framework of its objectives. Some limitations and their implications, which may have interfered with validity of the results, are highlighted. In order to enhance production of the nauplii, it is recommended for the system to be optimized and more studies to be conducted on various aspects such as stocking density of the culture, the extent to which the feed types offered affect the performance of the maternal population in terms of fecundity and type of reproduction, and the nutritional quality of the ovoviviparous nauplii.

AFRIKAANSE OPSOMMING: Die soutwater Artemia is 'n klein skaaldier wat as lewende voer gebruik word in vis- en skulpviskultuur. Van al die lewende voertipes wat algemeen in akwakultuur gebruik word, is Artemia wyd bekend en word hoofsaaklik aanvaar as gevolg van die gemak waarmee dit in broeierye gebruik kan word, hetsy in die vorm van nauplii, vanaf siste uitgebroei of as gedekapsuleerde siste wat verkoop word as van-die-rak produkte. Die verskaffing van siste is bemoeilik weens die diskontinuïteit van Artemia-verspreiding in natuurlike biotope, weerkundige skommelinge, klimatologiese veranderinge en moontlike oor-oesing van hulpbronne. Dit het tot onstabiliteit gelei met gevolglike fluktuasies en soms afname in die globale produksie. Daarvolgens is streeksgebonde sistvoorraad op baie plekke verseker deur kunsmatige innokulasie en mensgedrewe produksie in soutdamme. Broeierye in sub-Sahara Afrika het tot dusver staatgemaak op die invoer van produkte van wisselende gehalte, wat die doeltreffendheid van visproduksie nadelig beïnvloed en die mededingendheid van akwakultuur in hierdie streek verminder. Hierdie navorsingswerk dra by tot die kennis oor alternatiewe maniere vir die voorsiening van Artemia as lewende voer vir gebruik in broeierye. Eerstens is literatuur hersien, wat fokus op die algemene oorsig van die status van akwakultuur wêreldwyd en binne die sub-Sahara-streek van Afrika; die taksonomie, biologie, kultuur en aanwendings van Artemia; op die taksonomie, biologie en akwakultuurproduksie van die Afrika-katvis Clarias gariepinus, en die vereiste van lewendige voer vir hul larwes. Onder andere uitdagings wat akwakultuur in Afrika in die gesig staar, is daar 'n algemene herhalende faktor wat geïdentifiseer word, nl. die onvoldoende of nie-beskikbaarheid van vissaad wat op sy beurt gedeeltelik verband hou met die skaarsheid van lewende voere wat 'n noodsaaklike komponent in die broeikasproduksie van larwes van baie gekweekte visspesies behels. Tweedens word data aangebied oor 'n studie van lae saliniteit (0 - 32 g L-1) kultuur van Artemia met vier stamme van twee biseksuele en twee partenogenetiese populasies. Laboratoriumtoetse is uitgevoer om eerstens die oorlewing van instar I en II by lae saliniteit gedurende 'n 48 uur periode axenies te meet. Die gebruik van die twee instare was gebaseer op die hipotese dat die omringende saliniteit nie die embrio en instar I nauplii van Artemia beïnvloed nie, en om te bepaal of die gebruik van instar II nauplii om kultuur te innokuleer oorlewing sal beïnvloed. Soortgelyk is die oorlewing van die Artemia by twee innokulasies tye (bv. nauplii en pre-volwasse) xenies oor 'n nege dae periode by hierdie lae saliniteite getoets. Die twee innokulasie tye is gebruik op grond van die hipotese dat mortaliteit gewoonlik verminder as Artemia volwassenheid bereik. Resultate van albei toetse het getoon dat die lae saliniteit invloed op oorlewing het ten opsigte van die stamtipes. Met betrekking tot die twee instar ontwikkelingsfases is geen verskil waargeneem as gevolg van die lae saliniteite wat getoets is nie. Met betrekking tot die innokulasie tye is daar ook geen verskille waargeneem onder die getoetste saliniteite nie, behalwe by laer (5 g L-1) saliniteit waar die laagste oorlewing aangeteken is. Verder het 'n toets oor die effek van lae saliniteit op die voortplantings- en lewenseienskappe getoon dat beide saliniteit en stam invloed op die gemete parameters het. Oor die algemeen is hoë oorlewings waargeneem by daardie lae saliniteite waar oorlewing plaasgevind het, maar die hoogste is by 20 en 32 g L-1 (kontrole) saliniteit aangeteken. Algeheel is die beste prestasie in terme van die gemete reproduktiewe en lewenseienskappe waargeneem met die Great Salt Lake (GSL) stam. In die besonder het die GSL-stam die hoogste totale nageslag sowel as die aantal nageslag wat as nauplii geproduseer is. Ons kom tot die gevolgtrekking dat 20 g L-1 saliniteit en die GSL-stam die mees geskikte is vir gebruik in massakultuur. Vervolgens bied hierdie navorsingswerk ook 'n studie aan oor die effek van vyf plaaslik-gebaseerde landbou-gebaseerde materiale as enigste dieet oor groei en oorlewing, en hul geskiktheid om 'n reproduksiebevolking van GSL Artemia franciscana by lae (20 g L-1) soutgehalte te handhaaf. Twee afsonderlike toetse is uitgevoer wat eerstens 'n nege dae kleinskaalse (met 500 ml glasbottels) voer eksperiment gebruik het om geskikte voedingsmateriaal (s) te ondersoek en te selekteer, gevolg deur opskaling en massakultuur van Artemia vanuit die nauplii-stadium en deur die voortplantingsfase (43 dae), deur gebruik te maak van die geselekteerde voedingsmateriaal (e). Beide die ondersoek en die opgradering van biomassa-toetse het getoon dat die voedingstowwe die groei en oorlewing van die diere beïnvloed, en asook die voeding van 'n voorraadsuspensie wat uit garspille voorberei is, beter prestasie lewer as om met die ander voedingsmiddels te voer. Die opgeskaalde biomassetoets het bevestig dat die garspille-dieet gebruik kan word vir die kultuur van aktief produserende biomassa van die GSL-stam van Artemia franciscana. Gedurende die voortplantingstydperk van die biomassa is daaglikse nauplii geoes oor 'n periode van 22 dae, waarna die kultuur beëindig is toe nauplii produksie konsekwent verminder het. Ten spyte van die lae vlakke van voedingwaarde van die verskillende stowwe, het die volwassenes wat gevoed is met die toetsvoer en die nauplii wat ovoviviparies geproduseer is, aansienlike vlakke van proteïene, essensiële en nie-essensiële aminosure bevat, asook versadigde, mono-onversadigde en poli- onversadigde vetsure in hul weefsels. Om egter hoër naupliiproduksie te behaal, kan voedingsmanipulasie, in teenstelling met die voer van slegs enkele diëte, beter resultate lewer. Die geskiktheid van die ovovivipariese geproduseerde nauplii is getoets deur hulle direk aan katvis Clarias gariepinus larwes te voer in vergelyking met ovipariese geproduseerde nauplii en gedekapsuleerde siste. Hoër oorlewing, beter proteïendoeltreffendheidsverhouding en voeromskakelingsverhouding is waargeneem in katvis larwes gevoer met die ovovivipariese nauplii. Ons kom tot die gevolgtrekking dat die ovovivipariese nauplii as alternatiewe lewendige voer vir larwale vis kan dien. Die ekonomiese lewensvatbaarheid van die gebruik van die ovovivipariese geproduseerde nauplii teen die huidige produksiekapasiteit van die ontwikkelde proefstelsel teenoor die gebruik van die ingevoerde Artemia-siste is ondersoek. Die koste analise om ‘n individuele C. gariepinus larwe gevoer met die ovovivipariese geproduseerde Artemia nauplii te produseer, beloop 2,15 USD, terwyl die koste betrokke om die vislarwe te produseer gevoer met plaaslik ingevoerde dekapsuleerde Artemia siste was ongeveer 0.002 USD. Die resultaat van die analise toon duidelik dat die koste van die voer van 'n individuele C. gariepinus larwe by die huidige kapasiteit van die ontwikkelde nauplii-produksiestelsel veel hoër is as wanneer die ingevoerde dekapsuleerde siste gebruik word. Daar is egter nog baie ruimte vir die optimalisering van baie aspekte van die produksiestelsel, sodat die resultaat van bogenoemde vergelyking verander kan word ten gunste van die gebruik van ovovivipariese nauplii. Daarbenewens moet die algehele voordele van die gebruik van die ovovivipariese nauplii nie net op monetêre terme geanker word nie, maar ook op die gepaardgaande voordele soos die groei van vis larwes, oorlewingsyfer en post-larwale kwaliteit, konstante en voorspelbare gehalte van die lewende voer wat aan die vislarwes aangebied word, selfstandigheid van lewende voerproduksie, ens. Ten slotte word die algehele resultate van hierdie werk bespreek in die raamwerk van die doelwitte. Sommige beperkings en hul implikasies, wat moontlik die geldigheid van die uitslae belemmer het, word uitgelig. Om die produksie van die nauplii te verbeter, word dit aanbeveel dat die stelsel geoptimaliseer word en meer studies gedoen word oor verskeie aspekte soos die behuisingsdigtheid van die kultuur, die mate waarin die voertipes wat aangebied word, die prestasie van die moederbevolking beïnvloed in terme van fertiliteit en tipe voortplanting, en die voedingswaarde van die ovovivipariese nauplii.

SAMENVATTING: Het pekelkreeftje Artemia is een kleine garnaalachtige, gebruikt als levend voedsel bij de kweek van vis en schaaldieren. Binnen de groep van types levend voedsel die frequent gebruikt worden in de aquacultuur, is Artemia algemeen bekend en geaccepteerd, vooral dankzij zijn gebruiksgemak in broedhuizen, hetzij onder de vorm van nauplii die ontloken zijn uit cysten, hetzij als gedecapsuleerde cysten die verkocht worden als kant-en-klare producten. De beschikbaarheid van de cysten wordt bemoeilijkt door de discontinuïteit van de verspreiding van Artemia in natuurlijke biotopen, door meteorologische fluctuaties, door klimaatsverandering en door mogelijke overbevissing van de natuurlijke voorraden. Dit heeft geleid tot instabiliteit en tot fluctuaties in, en soms daling van, de globale productie. Bijgevolg werd de regionale bevoorrading van cysten in vele plaatsen verzekerd door kunstmatige inoculatie en door de mens gecontroleerde productie in zoutvijvers. Broedhuizen in sub-Sahara Afrika hebben tot nu toe meestal gebruik gemaakt van import van product van wisselvallige kwaliteit, hetgeen de efficiëntie van de visproductie negatief beïnvloed heeft en de competitiviteit van aquacultuur in deze regio heeft aangetast. Dit onderzoek draagt bij tot de kennis over alternatieve manieren om de bevoorrading van Artemia als levend voedsel in broedhuizen te verzekeren. In eerste instantie wordt een overzicht gegeven van de literatuur, met focus op de algemene status van aquacultuur in de wereld en in sub-Sahara Afrika: de taxonomie, biologie, kweek en toepassingen van Artemia; verder ook de taxonomie, biologie en aquacultuurproductie van de Afrikaanse katvis Clarias gariepinus, en de noodzaak aan levend voedsel voor diens larven. Naast andere uitdagingen voor de aquacultuur in Afrika, is een vaak terugkerende factor het gedeeltelijk of volledig gebrek aan vislarven voor de uitgroei, wat op zijn beurt verband houdt met het gebrek aan levend voedsel, wat een essentiële component is bij de productie in het broedhuis van de larven van talrijke gekweekte vissoorten. Vervolgens worden data voorgesteld over een studie inzake kweek van Artemia bij laag zoutgehalte (0 – 32 g L-1), waarbij gebruik gemaakt werd van twee bisexuele [Great Salt Lake (GSL) en Vinh Chau (VC)] en twee parthenogenetische [Tuz (TUZ) en Balikun (BLK)] populaties. Eerst werden tests uitgevoerd in het laboratorium, om in axenische omstandigheden de overleving van instar I en II te bepalen bij laag zoutgehalte over een periode van 48 u. Het gebruik van beide instars was gebaseerd op de hypothese dat de omgevingssaliniteit geen invloed heeft op het embryo en de instar I-nauplii van Artemia, en om te bepalen of het gebruik van instar II-nauplii om de kweek te inoculeren een effect zou hebben op de overleving. Op gelijkaardige manier werd overleving van Artemia van verschillende leeftijd op het tijdstip van inoculatie (nl. nauplii en pre-adulten) getest in xenische omstandigheden over een periode van 9 dagen bij deze lage zoutgehalten. Deze twee leeftijden waren gebaseerd op de hypothese dat de sterfte van Artemia gewoonlijk afneemt naar de maturiteit toe. De resultaten van beide tests toonden aan dat het lage zoutgehalte een invloed had op de overleving voor wat de rassen betreft. Wat betreft de twee ontwikkelingsstadia van instar, werd geen verschil waargenomen als gevolg van de uitgeteste zoutgehalten. Wat betreft de leeftijd van inoculatie, werd evenmin een verschil waargenomen tussen de uitgeteste saliniteiten, behalve bij lagere saliniteit (5 g L-1) waar de laagste overleving werd opgetekend. Verder toonde een test die peilde naar het effect van lage saliniteit op de voortplantings- en levensloopkenmerken aan, dat zoutgehalte en ras een invloed hadden op de gemeten parameters. Over het algemeen werd hoge overleving waargenomen bij die lage saliniteiten waar er overleving was, maar de hoogste overleving werd opgetekend bij een saliniteit van 20 en 32 g L-1 (de controle). Over het algemeen werden de meest productieve waarden voor voortplanting en levensloop waargenomen met het ras van Great Salt Lake (GSL). Meer specifiek vertoonde het GSL-ras het hoogste aantal nakomelingen, evenals het hoogste aantal nakomelingen geproduceerd als nauplii. We besluiten dat een zoutgehalte van 20 g L-1 en het GSL-ras het meest geschikt zijn voor een massakweek. Vervolgens omvat dit onderzoek ook een studie die vijf lokaal beschikbare landbouwproducten (haverpellets, canolapellets, gerstpellets, integraal gerstgraan, integraal tarwegraan) evalueert op hun geschiktheid om optimale groei en overleving te garanderen als monodieet voor een zich voortplantende populatie van GSL Artemia franciscana bij lage saliniteit (20 g L-1). Twee aparte tests werden uitgevoerd: eerst een kleinschalige voedertest (in glazen flessen van 500 mL) gedurende 9 dagen om geschikte voedermaterialen te screenen en selecteren. Deze test werd gevolgd door een massakweek op grotere schaal die startte met het nauplius-stadium, en doorliep doorheen het reproductiestadium (43 dagen), waarbij gebruik gemaakt werd van de geselecteerde voedermaterialen. Zowel de screening-test als de meer grootschalige biomassa-test toonden aan dat het voedertype een invloed heeft op groei en overleving van de dieren, waarbij het voederen van een stocksuspensie op basis van gerstpellets leidde tot betere resultaten dan het voederen met andere materialen. De grootschalige biomassa-test bevestigde dat het dieet op basis van gerstpellets gebruikt kan worden voor de kweek van een zich actief voortplantende populatie van het GSL-ras van Artemia franciscana. Gedurende de voortplantingsperiode van de biomassa werden over een duur van 22 dagen dagelijks nauplii geoogst, waarna de kweek werd stopgezet omdat de nauplii-productie stelselmatig afnam. Ondanks de lage gehaltes aan nutriënten in de verschillende voedermaterialen bevatten de adulte dieren, gevoederd met de testvoeders, en de ovovivipare nauplii behoorlijke hoeveelheden eiwitten, essentiële en niet-essentiële aminozuren, evenals verzadigde, mono-onverzadigde en poly-onverzadigde vetzuren in hun weefsels. Echter, om hogere productie van nauplii te verkrijgen, kan verdere manipulatie van het dieet, in tegenstelling tot het voederen met mono-diëten, betere resultaten opleveren. De geschiktheid van de ovovivipaar geproduceerde nauplii werd getest door ze rechtstreeks te voederen aan larven van katvis Clarias gariepinus, in vergelijking met ovipaar geproduceerde nauplii en gedecapsuleerde cysten. Hogere overleving, betere eiwit-efficiëntie-ratio en voederconversie-ratio werden bekomen met katvislarven gevoederd met ovovivipare nauplii. We besluiten dat de ovovivipare nauplii een geschikt alternatief levend voedsel voor larvale vis kunnen zijn. We analyseerden tenslotte de economische haalbaarheid van het gebruik van de ovovivipaar geproduceerde nauplii bij de huidige productiecapaciteit van het ontwikkelde pilootsysteem, versus het gebruik van geimporteerde Artemia-cysten. Een kostanalyse berekende de kost van de productie van een individuele larve van C. gariepinus, gevoederd met ovovivipaar geproduceerde Artemia-nauplii, op 2,15 USD, terwijl de productiekost bij het gebruik van ingevoerde gedecapsuleerde Artemia-cysten bij benadering 0,002 USD is. Deze berekening toont duidelijk aan dat bij de huidige productiecapaciteit van het ontwikkelde productiesysteem, de productiekost van een individuele larve van C. gariepinus veel hoger ligt dan bij gebruik van ingevoerde gedecapsuleerde cysten. Er is echter nog veel ruimte voor verbetering van talrijke aspecten van ons productiesysteem, zodat de resultaten van bovenstaande vergelijking kunnen wijzigen in het voordeel van het gebruik van ovovivipare nauplii. Bovendien zijn de voordelen van hun gebruik niet alleen gelinkt aan monetaire aspecten, maar ook aan ermee verbonden voordelen inzake de larvale groei van de vis, overleving en postlarvale kwaliteit, constante en voorspelbare kwaliteit van het levend voedsel aangeboden aan de vislarven, zelfredzaamheid inzake productie van levend voedsel, enz. Tot slot worden de algemene resultaten van dit werk besproken binnen het kader van de gestelde objectieven. Sommige beperkingen en hun implicaties, die geïnterfereerd kunnen hebben met de validiteit van de resultaten, worden belicht. Om de productie van de nauplii te bevorderen, is het aanbevolen dat het systeem wordt geoptimaliseerd en dat meer studies worden uitgevoerd inzake verschillende aspecten zoals de stockeringsdensiteit van de kweek, de mate waarin de toegediende voedertypes de prestaties van de moederpopulatie beinvloeden op het vlak van fecunditeit en type van reproductie, en de nutritionele kwaliteit van de ovovivipare nauplii.

Please refer to this item in SUNScholar by using the following persistent URL: http://hdl.handle.net/10019.1/106216
This item appears in the following collections: