Aquatic Animal Nutrition Organic Macro- and Micro-Nutrients

1082 Pages·2022·35.054 MB·English

by  Christian E.W. Steinberg

Christian E.W. Steinberg
Aquatic
Animal
Nutrition
Organic Macro- and Micro-Nutrients
Aquatic Animal Nutrition
Christian E.W. Steinberg
Aquatic Animal Nutrition
Organic Macro- and Micro-Nutrients
ChristianE.W.Steinberg
DepartmentofBiology,
FacultyofLifeSciences
Humboldt-UniversitätzuBerlin
Berlin,Germany
ISBN978-3-030-87226-7 ISBN978-3-030-87227-4 (eBook)
https://doi.org/10.1007/978-3-030-87227-4
©SpringerNatureSwitzerlandAG2022
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ThisSpringerimprintispublishedbytheregisteredcompanySpringerNatureSwitzerlandAG.
Theregisteredcompanyaddressis:Gewerbestrasse11,6330Cham,Switzerland
Preface
WhenIstartedplanningAquaticAnimalNutritionasaone-volumebook,Ihavenot
beenawareoftheexplodingnumbersofpapers,oftengoodtoexcellentones,onthis
issueinrecentyears.ManyofthesecontributionsoriginatefromChinaduetosimple
but effective mechanisms: Chinese researchers may increase their salary by publi-
cations in top journals of their discipline, and if they do so and if they are granted
highlyranked projects, theirstaffwillbereinforcedwithgoodyoungfacultiesand
goodstudentsbytheiracademicinstitution.Andverysoon,theselaboratoriesreach
the size of small to medium academic departments at Western universities. Never-
theless, it has been effort and pleasure at the same time to sort out intriguing from
mediocrepapersandtofigureoutgapsandpotentialfutureresearchdirections.
Therefore, Aquatic Animal Nutrition (AAN) will be extended. It will nowcom-
prisethreevolumes:
AANI—AMechanisticPerspectivefromIndividualstoGenerations
AANII—OrganicMacro-andMicro-Nutrients
AANIII—AlternativeFeedsandAntinutritionalFactors
I thank Springer Nature Switzerland for this courtesy. My sincere appreciation
goesto“mySpringerladies,”namelyAlexandrineCheronetandJudithTerpos,who
werealwaysverysupportive.ParticularlywarmregardsgotoÉvaLörincziwhohas
alwaysbeenunderstandingandhelpful,evenincriticalphasesofthisvolume.
The extent of Aquatic Animal Nutrition has changed, but my primary interest
remains constant. My wish has not been to discuss higher productivity in the
aquaculture industries or review recipes for more effective functional aquafeeds in
ordertoincreasesurvival,reproduction,orproductivityoffarmedanimals.Instead,I
aminterestedinansweringthequestionofhowcertaindietaryingredientsinfluence
the life history traits not only of the consumers but also of their succeeding
generations. And as an ecologist, my preference is to understand how the aquatic
superorganismsfunction:Whatisthecontributionoftheintestinalmicrobiotatothe
well-being of thehost and, onthe other side, how doesdomestication and farming
modifytheoriginallywildanimals?
v
vi Preface
I am thankful to all the photographers and artists who allowed me to use their
wonderful images and artworks free of charge. Doubtless, they contribute to an
attractive appearance of this book. We all agree that good illustrations can often
explaincomplexideasmuchbetterthanthousandsofwords.
Thisbookisdedicatedtomywife,AnetteS.
Berlin,Germany ChristianE.W.Steinberg
Contents
1 AquaticAnimalNutrition:Organic
Macro-andMicronutrients—‘DoBlindMenandTheirElephant
GetWetFeet?’. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
References. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2 ProteinRequirement—‘OnlyMeatMakesYouStrong’. . . . . . . . . . 11
2.1 Requirement. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.2 AminoAcidLandscapes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.3 Nutrient-SpecificForaging. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.4 ConcludingRemarks. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
References. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
3 UtilizationofProteinaceousNutrients—‘BecomingStrong
withMeat’. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
3.1 Invertebrates. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
3.1.1 Crustaceans. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
3.1.2 Mollusks. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
3.1.3 Echinoderms. . . . . . . .. . . . . . . .. . . . . . . .. . . . . . 45
3.2 Fishes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
3.2.1 ProteinConsumptionDuringOntogenesis. . . . . . . . . 48
3.2.2 DietaryProteinExcess. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
3.3 ConcludingRemarks. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
References. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
4 PeptidesorAminoAcids?—‘TheSmaller,theBetter?’. . . . . . . . . . 61
4.1 AminoAcidandPeptideSensing. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
4.2 AminoAcidsVersusOligopeptides. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
4.2.1 Invertebrates. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
4.2.2 Fishes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
4.3 Dipeptides,Health,andStressResistance. . . . . . . . . . . . . . . 71
4.4 ConcludingRemarks. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
References. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
vii
viii Contents
5 AminoAcidFunctionandRequirement—‘MorethanEasyFuel’. . 79
5.1 Function. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
5.1.1 AppetiteandGrowthRegulations. . . . . . . . . . . . . . . 85
5.1.2 Methyl-DonatingAminoAcidsandMicroRNAs. . . . 86
5.2 Requirement. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
5.2.1 Invertebrates. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
5.2.2 Fishes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
5.3 ConcludingRemarks. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
References. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
6 SimpleAminoAcids:Gly,Ala,Asp,Gln—‘PureEasyFuel?’. . . . 107
6.1 GlycineandAlanine. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
6.2 Asparagine. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
6.3 GlutamineandGlutamate. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
6.4 ConcludingRemark. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
References. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
7 TheVersatileAminoAcid:Tryptophan—‘MoreControlling
thanFueling’. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
7.1 Requirement. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
7.2 StressToleranceandBehavior. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
7.2.1 Fishes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
7.2.2 Invertebrates. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
7.3 ConcludingRemarks. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
References. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
8 ABunchofAminoAcids:Phe,Tyr,Branched-ChainAAs,
SerandThr—‘MuchMorethanEasyFuel’. . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
8.1 PhenylalanineandTyrosine. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
8.1.1 Phenylalanine. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
8.1.2 Tyrosine. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141
8.2 Branched-ChainAminoAcids. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141
8.2.1 LeucineandIsoleucine. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
8.2.2 Valine. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149
8.2.3 Antagonism. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151
8.3 Serine. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153
8.4 Threonine. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153
8.5 ConcludingRemarks. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155
References. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156
9 SulfurAminoAcids—‘MuchMorethanEasyFuel’. . . . . . . . . . . . 163
9.1 Methionine. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163
9.1.1 Invertebrates. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168
9.1.2 Fishes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174
9.2 MethionineHydroxyAnalog. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178
9.3 Cysteine. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179
Contents ix
9.4 Cystine. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179
9.5 Ergothioneine. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180
9.6 Glutathione. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180
9.7 ConcludingRemarks. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181
References. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183
10 BasicAminoAcidsandProlines—‘Again:MuchMorethanEasy
Fuel’. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193
10.1 BasicAminoAcids. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193
10.1.1 Lysine. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194
10.1.2 Arginine. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197
10.1.3 Histidine. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205
10.1.4 BasicAminoAcidAntagonism. . . . . . . . . . . . . . . . 208
10.2 ProlineandHydroxyproline. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 208
10.2.1 Proline. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 208
10.2.2 Hydroxyproline.. . . . .. . . . .. . . .. . . . .. . . . .. . . 209
10.3 ConcludingRemarks. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211
References. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212
11 Taurine—‘ControllingRatherthanFueling’. . . . . . . . . . . . . . . . . . 223
11.1 TaurineBiosynthesisandPhysiology. . . . . . . . . . . . . . . . . . 225
11.2 TaurineandImmunity. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 234
11.3 InteractionswithNutrients. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 236
11.4 ConcludingRemark. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 236
References. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 237
12 NonproteinAminoAcids—‘FuelatAll?’. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 243
12.1 L-Canavanine.. . . . . . . .. . . . . . .. . . . . . . .. . . . . . .. . . . . 243
12.2 L-Citrulline. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 245
12.3 Mimosine. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 245
12.4 γ-AminobutyricAcid(GABA). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 247
12.5 L-3,4-Dihydroxyphenylalanine(L-DOPA). . . . . . . . . . . . . . . 249
12.6 L-Carnitine. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 249
12.7 L-Ornithine. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 252
12.8 Cadaverine. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253
12.9 β-Alanine. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253
12.10 ConcludingRemarks. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253
References. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 254
13 CarbohydrateswithEmphasisonGlucose—‘Life’s
LittleLuxury’. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 263
13.1 CarbohydrateDigestibility. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 264
13.2 CarbohydratesandImmunity. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 279
13.2.1 Glucose. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 279
13.3 Glucosensing. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 281
13.4 Rhythmicity. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 286
x Contents
13.5 ConcludingRemarks. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 288
References. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 288
14 GlucoseHomeostasis—‘Life’sLittleLuxuryBalanced’. . . . . . . . . . 303
14.1 Homeostasis:Fishes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 303
14.1.1 MetalSupplementation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 304
14.1.2 PhysiologicalDetails. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 305
14.2 Homeostasis:Invertebrates. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 313
14.3 Regulation.. . . .. . . .. . . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . . 314
14.3.1 Glycolysis. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 314
14.3.2 Gluconeogenesis. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 314
14.3.3 Glycophagy. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 316
14.4 ConcludingRemarks. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 318
References. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 318
15 GlucoseIntolerance—‘Life’sRealLuxury?’. . . . . . . . . . . . . . . . . . 329
15.1 Tolerance. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 331
15.2 Intolerance. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 333
15.3 FeedingHabitReevaluation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 338
15.4 Impairments. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 341
15.4.1 Antidotes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 342
15.5 ConcludingRemarks. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 342
References. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 343
16 CarbohydrateTransport—‘Life’sUsefulLuxuryDistributed’. . . . 349
16.1 IntestinalTransport. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 358
16.1.1 Invertebrates. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 358
16.1.2 Fishes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 359
16.1.3 TheMultipleFunctionsofGLUTs:
ADouble-EdgedSword?. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 365
16.1.4 DisaccharideTransporter. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 368
16.2 ConcludingRemarks. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 369
References. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 369
17 ProteinSparingbyCarbohydrates—‘Life’sUsefulLuxury’. . . . . . 377
17.1 SparingDetails. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 377
17.2 ConcludingRemarks. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 386
References. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 386
18 CarbohydratePreferenceandMetabolism—‘Life’sLittle
LuxuryDigested’. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 393
18.1 Invertebrates. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 395
18.1.1 Mollusks. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 395
18.1.2 Echinoderms. . . . . . . .. . . . . . . .. . . . . . . .. . . . . . 396
18.1.3 Crustaceans. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 397
18.2 Fishes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 401
18.2.1 Carnivores. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 403