Mikrober - en framtidig bærekraftig fôrressurs.

Transkript

1 Mikrober - en framtidig bærekraftig fôrressurs. Liv Torunn Mydland Odd Helge Romarheim, Thor Landsverk, Anders Skrede, Fabian Grammes, Stanko Skugor, Trond Storebakken, Anne- Helene Tauson, Karl Shearer, Ståle Helland, Åshild Krogdahl, Anne Marie Bakke, Margareth Øverland Aquaculture Protein Centre, CoE Department of Animal and Aquacultural Sciences Norwegian University of Life Sciences

2 Mikrobielle råvarer et stort potensiale Omtrentlig produksjon av protein per døgn. Okse, tid til å doble biomassen: 1-2 måneder En 500 kg okse produserer ca. 0,5 kg protein per døgn Soyabønner, tid til å doble biomassen: 1-2 uker 500 kg soyabønner produserer ca kg protein per døgn Gjærsopp, tid til å doble biomassen: minutter 500 kg gjærsopp kan produsere 50 tonn protein per døgn

3 Fremstilling av mikrobielle råvarer Bakterier Methylococcus capsulatus Gjærsopp Kluyveromyces Mikroalger Phaeodactylum tricornutum Flere mulige kilder for substrater til mikrobiell vekst: Naturgass (metan) eller biogass Biomasse/biprodukt fra treforedlingsindustri og landbruk Sollys + CO2

4 Produksjon av bakteriemel Metan Metanotrofe bakterier dyrket på naturgass (metan) Methylococcus capsulatus Oksygen Ammoniakk Mineraler Fermentor Bakteriemel Kjemisk innhold Råprotein (inkl. ca 10% nukl.syrer) 70% Lipider (fosfolipider) 10% 2 m 2 gass gir 1 kg bakteriemel 1% av norsk gasseksport dekker behovet til hele den norske oppdrettsnæringa

5 Produksjon av gjær Restavfall/sidestrømmer fra jordbruk, skogbruk og industri (cellulose/hemicellulose) Enzymer Pentoses Ethanol Hexoses Oxygene Minerals Kjemisk innhold: Råprotein 45-55% Lipider 10-20% Yeast Rhizopus oryzae, Pichia spp., Kluyveromyces spp

6 Produksjon av mikroalger Omega-3 Sunlight Water CO 2 Minerals Kjemisk innhold Råprotein 25-50% Lipider 10-25% Nannochloropsis oceania Isochrysis galbana Phaeodactylum tricornutum Chlorella vulgaris

7 BAKTERIEMEL Laks; effekt på vekst og fôrutnyttelse ab abc b bc b c a ab a a Kilde: Aas et al. 2006, Aquaculture 259, Mengde bakteriemel (%)

8 BAKTERIEMEL Laks; effekt på protein avleiring 60 b b b 50 a a , Mengde bakteriemel, % Kilde: Aas et al. 2006, Aquaculture 259,

9 Protein digestibility (%) GJÆR. Proteinfordøyelighet, laks a a FM Yeast 1 Yeast 2 Yeast 3 Feed, % FM CU KM SC Fishmeal Yeast biomass a b + Gelatinized potato starch, Fish oil, Gelatin, Cellulose, Premix and Y 2 O 3 The diets were formulated to be isonitrogenous and isolipidic. APC, 2012, submitted

10 Tilvekst, fôrutnyttelse og proteinavleiring hos laks fôret med gjærsopp Tilvekst (%) og fôrforbruk (kg/kg) Protein avleiring, (%) a FM CU KM SC FM CU KM SC Kilde: APC, 2012, submitted

11 % CP digested % CP digested % CP digested Proteinfordøyelighet av mikroalger Nannochloropsis oceania Phaeodactylum tricornutum Isochrysis galbana CP_dig Nannochloropsis 100 Phaeodactylum tricornutum 100 Isochrysis galbana y = -0,5233x + 87,844 R 2 = 0, % algae inclusion in feed y = -0,0777x + 87,639 R 2 = 0, % algae inclusion in feed y = -0,69x + 87,806 R 2 = 0, % algae inclusion in feed

12 Planteråvarer i fiskefôr øker risikoen for mage-tarm lidelser Hypotese: Bakteriemel. har funksjonelle egenskaper som gir positiv effekt på fiskehelse A: Fiskemel Normal tarm Fôring med mye soyamel gir: B: Soyamel Soya-indusert enteritt Betennelse i baktarm Redusert fôropptak, vekst og fordøyelighet Redusert enzymaktivitet og gallesalt-nivåer i tarm

13 Effekt av bakteriemel på betennelse i baktarm hos laks N= 15 fisker per ledd Fôr Normal tarm Fiskemel Soya-indusert enteritt 20% Soyamel 30% Bakteriemel 20% Soya & 30% Bakteriemel Fisk med normal tarm (%) Fisk med enteritt (%) Kilde: Romarheim et al., 2011, Journal of Nutrition

14 Transkripsjon i laksetarm Bakteriemel hemmer uttrykk av en rekke gener involvert i mage betennelses responser i baktarm MI RNA ekstraksjon Microarray chip Hybridisasjon blindsekker midttarm baktarm Down > , , >32 Up BPMSBM_I I1 Fiskemel Bakteriemel Bakteriemel & Soy Soy BPMSBM_II3 BPMSBM_V1 BPMSBM_V2 BPMSBM_V3 BPMSBM_ XII2 BPM_I1 BPM_I2 BPM_VI1 BPM_VI2 BPM_XXII1 BPM_XXII3 FM_III1 FM_III2 FM_VIII1 FM_VIII2 FM_XXI2 FM_XXI3 SBM_IV1 SBM_IV2 SBM_VII2 SBM_VII4 SBM_XI1 E3 ubiquitin-protein ligase LINCR -0,79-0,81-1,05-1,15-0,49-1,77-0,78-1,39-0,80-1,15-1,18-1,80-0,88-1,19-1,72-1,64-1,02-2,03 3,68 4,24 4,43 4,34 4,95 TNF decoy receptor -0,38 0,75-0,19-0,77 0,52-0,10-0,55 0,17 0,22-0,72 0,78 0,32-0,90-1,05-0,29-0,88-0,97-0,59 0,29 1,42 0,90 1,10 0,92 Arginase-2, mitochondrial precursor -0,16-0,78-0,91-0,90-0,78-1,16-0,82-0,19-0,54-0,54-0,64-0,86-0,50-0,81-0,37-1,22-0,82-0,81 2,13 3,13 2,68 2,96 1,91 Annexin A1-0,38-2,91-0,46-0,16-0,07-1,72-0,52 0,52 0,38 0,25-1,77-0,24-0,86-1,84 0,66-3,19-0,61-0,11 2,50 2,59 3,24 2,34 2,39 non-specific cytotoxic cell receptor -0,05 0,02-0,19-0,40 0,10-0,07-0,24-0,07-0,29-0,46-0,25-0,31-0,56-0,36-0,41-0,48-0,61-0,26 0,76 1,04 0,95 1,02 1,12 protein-1 Transcription factor AP-1 0,09-0,01 0,57-0,32-0,32 0,18-0,41-0,16-0,54-0,50-0,34-0,53-0,16-0,24-0,31-0,63-0,29-0,11 1,09-0,02 1,19 0,75 1,01 Cysteine dioxygenase type 1 1,27 0,12 0,81 1,72-1,93 2,41 0,28 0,96-0,12 1,33 1,10 1,38 2,56 2,03 1,58 1,47 2,28 1,81-3,53-4,90-3,96-4,30-4,36 Fatty acid-binding protein, intestinal 1,05 0,69 0,65 0,99 0,64 2,18 0,44 0,88 0,27 0,63-0,06 0,23 1,67 1,04 0,53 0,42 1,52 1,25-1,79-2,81-4,24-1,64-4,53 Apolipoprotein A-IV precursor 0,72 0,02 0,28 1,31 0,76 2,20 0,51 1,03 0,75 1,45-0,12 0,53 1,70 1,15 0,83 1,21 1,48 1,72-2,25-3,15-4,40-4,60-3,11 epidermal retinal dehydrogenase 2 0,21 0,08 0,22 0,09 1,22 0,10 0,56 0,56 0,45 1,20 1,27 1,19-0,95 1,01 0,58 1,49 0,67-0,23-2,93-0,58-2,12-1,77-2,30 H-2 class I histocompatibility antigen, 0,96 1,31-0,27 1,46 0,79 1,92 1,55 1,81 1,33 2,11 1,68 2,44 1,57 1,31 0,52 1,83 0,46 0,92-5,17-2,13-5,37-4,88-6,16 LDa chain ~700 gener var forskjellig yttrykt I dette forsøket.

15 Grad av betennelse, skala 0-2 Effekt av bakteriemel i fôr med 20% soyamel Grad av betennelse i baktarm (histologi) - Økende mengde bakteriemel 0-30% - Laks i sjøvann; 270 g startvekt - 1 ½ måneders varighet 2,0 1,5 Skala: 0-1: Normal tarm >1: Mild soya-enteritt 2: Klassisk soya-enteritt 1,0 0,5 0, Bakteriemel i fôr, % Kilde: Romarheim et al., 2012, Br. J Nutrition

16 Grad av betennelse, skala 0-2 Gjærsopp i fôr med 20% soya Grad av betennelse i baktarm Skala: 0-1: Normal tarm >1: Mild soya-enteritt 2: Klassisk soya-enteritt SOYA KM CU SC Kilde: APC 2010 Laks i sjøvann; fôret med 20% soya og 20% gjærsopp

17 Heatmap - expression levels of the DE genes ~3000 genes in total FM CU KM SC SBM

18 Degree of changes in distal intestine Microalgae in feed containing 20% SBM Degree of inflammation in distal intestine Feed, % FM SBM ALG Fishmeal ,5 Soybean meal Chl. Vulg Leukocytes in Lamina Propria Epithelial changes Atrophy Oedema * = different from SBM at p< = different from FM at p< * * * * * * * * 0.0 SBM (Pos. ctrl.) FM (Neg. ctrl.) ALG (SBM + alga) APC, 2012, unpublished Diet

19 Konklusjon mikrobielle fôrråvarer Stort potensial for mikrobielle råvarer i fôr! Bakteriemel er svært godt dokumentert Gjær. produsert fra trebiomasse - et lovende alternativ for framtiden Noen mikrober har endel utfordringer (lav fordøyelighet, høy pris, harde cellevegger) Noen av mikrobene ser ut til å inneholde veldig interessante bioaktive komponenter som gir positive helseeffekter i tillegg til god vekst og fôrutnyttelse. Men det vil også være et potensiale for easy-to-grow mikrober som gir god vekst uten ekstra helseeffekter da disse kan bli billigere produsert. Utfordringer: - Optimalisering av fermenteringsteknologi for å redusere produksjonskostnader og ikke minst øke volum! Valg av riktig mikrobe/strain. - Optimalisere hele verdikjeden fra "gass til gaffel" og fra "tre til filet

20 - from WOOD WASTE to GOOD TASTE. Takk for oppmerksomheten!