Thesis (PhD (Conservation Ecology and Entomology))--University of Stellenbosch, 2011. / ENGLISH ABSTRACT: Water storage in reservoirs forms an integral part of the agricultural landscape in the Western Cape Province, South Africa. A few large reservoirs serve primarily as a drinking and industrial water supply, while on private farms, small reservoirs provide irrigation water for the dry summer period. Protection of water quality to secure irrigation and drinking water quality, and the extension of water use efficiency are priority issues in the Western Cape. In the current study, the suitability of rainbow trout (Oncorhynchus mykiss) cage farming as a non-abstractive water use was investigated. The current study concentrated on the identification, and where possible quantification of aquaculture impacts, the identification of successful sites and a description of requirements in which net-cage aquaculture has none or a very low negative impact on water quality (e.g. <15 % change from previous water quality conditions for phosphorus concentrations). In order to study the effects of 5 t trout cage production units in reservoirs <15 ha in area, the general ecology of the irrigation reservoirs was assessed. Sixteen reservoirs without aquaculture production (reference reservoirs) were compared to 26 reservoirs with aquaculture production (production sites with varying production histories). Catchment characteristics were also monitored. Water from different depths (0 m, 2 m, 6 m and near bottom) was tested for physical and chemical qualities as well as nutrient concentrations. Phytoplankton and zooplankton biomass and species composition was monitored. In addition to the general phytoplankton findings, cyanophytes were evaluated for their contribution to algal taint problems that emerged at a number of production sites. Sediments were tested for total phosphorus content and phosphorus release capacity. Indicators and minimum conditions to avoid the most common production problems were formulated. In order to determine long-term production success, which prevents trophic level changes of reservoirs, a mass balance approach (nutrient budget) was employed to indicate the limits for nutrients that can be added. The phosphorus balance indicated long term trends for reservoirs with and without aquaculture. The detailed mass balance approach was compared to a “ready to use” carrying capacity model that estimated the maximum fish load each reservoir could support. The anthropological input of phosphorus into the reservoirs causes a decreasing water quality in the studied reservoirs and this development was also reported for lowland rivers. Twenty percent of the studied reservoirs are in a condition that could be an immediate threat to fish or water bird health (e.g. free ammonia concentrations and pH). Harmful algal blooms were not observed. Aquaculture production evoked changes in water chemistry and ecology in most of the studied reservoirs. Adverse effects of aquaculture sites versus non-aquaculture sites were: increased phytoplankton biomass and species shifts towards sizes >80 μm. The increased phytoplankton abundance influenced pH maxima to values >9 at mid-day. The high pH fluctuations were greatly influenced by the naturally low alkalinity and hence low calcium buffering capacity of Western Cape waters. The deoxygenation of the hypolimnion during stagnation (summer) occurred faster in reservoirs of certain character, greatly dependent on elevation and surface area, with consequent acidification of the hypolimnion, as well as ammonia and total phosphorus (TP) accumulation. In this context, a diversity of each reservoir with and without aquaculture production, with a similar ratio of undisturbed reservoirs to reservoirs with influence of e.g. agriculture, were compared to each other. When grouping the respective differences from the average reference reservoir (i.e. no trout production), a low impact on water quality was manifested at four sites (15 %) with <15 % increase of bottom TP and ammonia, while eight sites (31 %) showed medium effects (59 % mean increase), and a high impact was found at 54 % of the sites (312 % mean increase). In reservoirs without aquaculture, the extent of incoming phosphorus (which could represent an influence by runoff from agricultural land) was very high. However, in small reservoirs (<5 ha), these values were exceeded by the incoming phosphorus from aquaculture practices. In the case of small reservoirs where the carrying capacity was clearly surpassed, effects caused by aquaculture were severe and the assimilation of waste by the system was not possible (in extreme cases aquaculture waste delivered 60 to 90 % of all incoming phosphorus – two to nine times the phosphorus brought in by rivers and runoff). With regards to sediment, only indirect conclusions could be drawn. Aquaculture production increased hypolimnetic anoxia and the latter was shown to increase potential phosphorus release from sediments. This implies that not only will aquaculture increase the phosphorus concentration of surface waters directly, but it will also increase internal loading. The sedimentation rate was increased with cage aquaculture which affects a hypothesized area of approximately 0.2 to 1.0 ha depending on reservoir hydrology. The composition of the sediment increased organic components which can impact on sediment processes. It can be postulated that increased sedimentation of aquaculture waste and extended anoxic conditions impact on macrozoobenthos. Hydrological and nutrient mass exchange of the reservoirs indicated that no annual increase of phosphorus was achieved with low nutrient input (good inflowing water quality) or good water exchange (>5 times per year), and sometimes with extraction of hypolimnetic water during the stagnation period (summer). A model developed by Beveridge (1984) showed similar results to the mass balance approach and can therefore serve as a more ready model to determine suitable stocking rates. The small (man-made) reservoirs in the Western Cape are in a eutrophication process which far exceeds the speed of natural eutrophication (trophic states indicating highly eutrophic or hypertrophic conditions after approximately 10 to 20 years following construction of the reservoirs) and this process is triggered by agricultural practice (indicated by literature – not a subject of this study). However, it is concluded from the data of this study that trout-cage aquaculture duplicated the total phosphorus already present (independent of continuation of the projects, the phosphorus introduced was trapped in the closed systems the reservoirs represent) in only 1 to 2 years of production - which means a significant acceleration of the eutrophication process already in place. There are positive exceptions where trout-cage production is possible without negative effects. Careful site selection is the most important step in successful and sustainable trout production. No impact of aquaculture was recorded at four reservoirs (15 % of the investigated reservoirs) which shared the characteristics of good water exchange (>3 times per year) and a minimum surface area of 5 ha. Additionally, criteria that reduced the risk of algal taint included a minimum water depth of 6 to 7 m in a reservoir at its lowest water point (to avoid intermediate mixing during the stagnation period) as well as cold hypolimnetic conditions (<17 °C) to minimize cyanophyte cyst remobilization. Further improvement of food conversion ratio (feeding management) and feed quality are the next (after site selection) two most important components that determine if a reservoir can be utilised for cage production without any long-term changes. There is potential in advances in feed quality, feed management and waste collection systems. These measures (e.g. the cage size could be decreased to efficate feeding management) can increase the number of sustainable sites and achieve multiplication of water use without water quality deterioration. / AFRIKAANSE OPSOMMING: Die stoor van water in reservoirs vorm ‘n integrale deel van die landboulandskap in die Westelike Kaap gedeelte van Suid-Afrika. ‘n Aantal groter reservoirs voorsien primêr water primer vir drinkdoeleindes en vir aanwending deur industrieë, terwyl kleiner reservoirs op private plase gebruik word vir besproeiing gedurende die droë somerperiode. Die beskerming van die waterkwaliteit en die uitbreiding van watergebruik se doeltreffendheid, word bestempel as ‘n prioriteit vir die Wes-Kaap. In die huidige studie is die geskiktheid van forel hokkultuur as ‘n bykomende watergebruik, maar sonder waterverbruik, ondersoek. Die huidige studie fokus op die identifisering en waar moontlik die kwantifisering van die impak van akwakultuur op besproeiingsreservoirs; die identifisering van potensiële reservoirs vir akwakultuur; en die beskrywing van toestande waarin akwakultuur geen of ‘n baie lae negatiewe uitwerking op die waterkwaliteit (bv. < 15 % verandering vanaf oorspronklike waterkwaliteitstoestande vir fosforkonsentrasies) sal hê. Om die impak van 5 t forel hokproduksie eenhede in <15 ha reservoirs te bestudeer, is die algemene ekologie van die besproeiingsreservoirs bepaal. Watermonsters, geneem op verskillende dieptes (0, 2, 6 en naby die bodem), is getoets vir fisiese- en chemiese kwaliteit sowel as vir die nutriëntkonsentrasies. Die biomassa en spesiesamestelling van fitoplankton sowel as zooplankton is gemonitor. Sestien verwysingsreservoirs is vergelyk met 26 produksiereservoirs (met wisselende vlakke van produksiegeskiedenis). Die karakeristieke eienskappe van die opvangsgebied is ook gemonitor. Tesame met die algemene fitoplankton bevindinge, is blougroen alge ook geëvalueer vir hul bydrae tot algae besmettingsprobleme wat voorgekom het by ‘n aantal produksie persele. Sedimente is getoets vir die totale fosforinhoud en fosforvrystellingskapasiteit. Perseelseleksie is geidentifiseer as een van die mees belangrikste faktore vir suksesvolle hokproduksie. Indikatore en minimum toetstande wat vereis word om die mees algemene produksieprobleme te verhoed, is geformuleer. Om die langtermyn produksie sukses te bepaal, wat trophiese vlakke se verandering in die reservoirs verhoed, is ‘n massa balans benadering (nutriënt balans) gebruik. Die fosfor balans het langtermyn tendense aangetoon en in die geval van die produksie reservoirs, is die akwakultuurimpak gekwantifiseer. Die gedetaileerde massa balans benadering is vergelyk met ‘n “gereed om te gebruik” drakapasiteitsmodel wat die maksimum vis wat die reservoir kan onderhou, geskat het. Die antropogeniese toevoer van fosfor na die reservoirs veroorsaak ‘n afname in die waterkwaliteit van die reservoirs wat bestudeer is. Die verskynsel van ‘n afname in waterkwaliteit is ook vir verskeie laagliggende riviere geraporteer. Sowat 20 % van die besproeiingsreservoirs wat bestudeer is, is tans in ‘n toestand wat die onmiddelike gesondheid van vis en watervoëls kan bedreig. Skadelike algebbloei is nie waargeneem nie. Akwakultuurproduksie het negatiewe effekte getoon in ‘n aantal reservoirs. Die nadelige uitwerking van akwakultuur waar digthede te hoog was, is: toename in fitoplankton biomassa en spesiesverskuiwinge. Die toename in fitoplankton teenwoordigheid het die pH maxima beïnvloed tot waardes >9 teen 12 uur middag. Die hoë pH fluktuasies is grootliks beïnvloed deur die natuurlike lae alkaliniteit en gevolglike kalsium bufferkapasitiet van die Wes-Kaap se waterbronne. Die deoksiginasie van die hipolimnion gedurende stagnasie (somer) het vinniger plaasgevind in oorbelaaide reservoirs, met gevolglik ‘n versuring van die hipolymnion, sowel as die akkumelering van ammoniak en totale fosfor. In hierdie konteks word reservoirs met en sonder landbouproduksie, met ‘n gelyke verhouding van onversteurde reservoirs tot reservoirs wat deur landboubedrywighede beinvloed word, met mekaar vergelyk. By vier persele (15 %) is ‘n lae impak vasgestel (<15 % toename in bodem TF en ammoniak), terwyl agt persele (31 %) ‘n medium impak getoon het (59 % gemiddelde toename in bodem TF en ammoniak) en ‘n hoë impak is opgemerk by 54 % van die persele (31 % gemiddelde toename in bodem TF en ammoniak). In reservoirs sonder akwakultuur, was die omvang van fosforinvloeiing baie hoog en is moontlik veroorsaak deur die invloei van afloopwater uit omliggende landbougebiede. Alhoewel in klein reservoirs (<5 ha) was hierdie waardes oorskadu deur die invloeiing van fosfor deur akwakultuur praktyke.In die geval van klein reservoirs, waar die drakrag duidelik oorskry is, was die gevolge, soos veroorsaak deur akwakultuur ernstig, en die assimilasie van afval deur die sisteem nie moontlik nie. In die uiterste gevalle het akwakultuurafval 60 % - 90 % van alle inkomende fosfor gelewer - twee tot nege maal die fosfor wat deur riviere en afloopwater ingevloei het. Wat die sediment aanbetref, kon slegs indirekte gevolgtrekkings gevorm word. Akwakultuurproduksie het hipolimnetiese anoksia laat toeneem en die laasgenoemde verskynsel, het die potensiaal aangedui vir die toename in die vrystelling van fosfor vanaf die sediment. Dit dui daarop dat akwakultuur nie alleen die fosforkonsentrasie in die oppervlaktwater laat toeneem nie, maar sou ook die interne belading laat kon toeneem. Die sedimentasie tempo het toegeneem met die teenwoordigkeid hokkultuur en het ‘n hipotetiese area van ongeveer 0.05 tot 1.00 ha, afhangende van reservoir hidrologie, beïnvloed. Die samestelling van die sediment het toegeneem in teme van die organiese komponente wat die sedimentasie prosesse kon beïnvloed. Dit kan gepostuleer word dat die toename in sedimentasie van akwakultuurafvalprodukte tesame met verlengde anoksiese toestande, ‘n invloed op die makrosoöbentiese organismes het. Hidrologiese en nutriënt massa uitruiling van die reservoirs het aangetoon dat geen jaarlikse toename in fosfor verkry kan word met lae nutrient toelae (kwaliteit van invloeiende water) of met goeie waterverplasing nie, en soms met die ekstraksie van hipoliminetiese water gedurende die stagnasie periode (somer). Die Beveridge model het soortgelyke resultate getoon tot die massabalans benadering en kan daarom dien as ‘n meer aanvaarbare model om gepaste beladingstempo vas te stel. Kleiner mensgemaakte reservoirs in die Wes-Kaap is onderhewig aan ‘n eutrofikasie proses wat die spoed van natuurlike eutrofikasie (trofies verwys na ‘n hoogs eutrofiese of hipertrofiese toestand ongeveer 10 tot 20 jaar na reservoir konstruksie) oorskry. Literatuur (nie ondersoek in die huidige studie) dui aan dat hierdie versnelde eutrofikasie proses meegebring word deur landbouaktiwiteite in die opvangsarea van die reservoirs. Resultate van die huidige studie het getoon dat forelproduksie in hokstelsels, die konsentrasie van total fosfor wat reeds beskikbaar was, verdubbel het. Die toename in fosforkonsentrasie het binne 1 tot 2 jaar na die aanvang van forelproduksie in die betrokke reservoirs, plaasgevind. Daar is egter uitsonderings waar forelproduksie in hokstelsels moontlik was, sonder die gepaardgaande afname in die waterkwaliteit. Die belangrikste stap vir suksesvolle en volhoubare forelproduksie is deeglike perseelseleksie. Daar is geen impak van akwakultuur waargeneem by vier persele (15 %) wat die eienskappe van goeie waterverplasing (>3 keer per jaar) en ‘n minimum oppervlakarea van 5 ha gehad het nie. Bykomend, sluit kriteria wat die risiko van algbesmetting laat afneem, ‘n minimum waterdiepte van 6 tot 7 m in ‘n reservoir by die laagste punt in (om te verhoed dat intermediêre vermenging plaasvind gedurende die stagnasieperiode) sowel as koue hipolimnetiese toestande (<17 °C) om sianobakterieë sist remobilisasie te minimaliseer. Verdere verbetering van die VOH (voeromsettingsverhouding onder voedingsbestuur) en voerkwaliteit is na perseeleleksie, die volgende komponente wat kan aandui of ‘n perseel gebruik kan word vir hokkultuur sonder enige impak. Vordering met voerkwaliteit en voedingsbestuur kan die aantal volhoubare persele laat toeneem en daardeur meer effektiewe watergebruik teweeg bring, sonder die verwante waterkwaliteit verswakking.

This study aimed to evaluate otter predation on stocked trout and grayling. The diet composition of piscivorous Eurasian otters (Lutra lutra) was studied on the stream Chotýšanka in central Bohemia using spraint (otter faeces) analysis during one winter period (90 days). Stocking took place mostly in the second half of 2005. Around 5000 hatchery-reared brown trouts (Salmo trutta m. fario) of size about 10 cm, 600 graylings (Thymallus thymallus) of the same size and 480 rainbow trouts (Oncorhynchus mykiss) of size about 30 cm were stocked into the stream. Spraints were collected in December 2005 and January 2006. We found and identified 1531 fish in the spraints. The primary food source of otters was fish (almost 85 % of biomass). The main fish prey was small - sized, below 20 g in weight and 13 cm in length. The bulk of otter's diet consisted of less - valued species, especially the gudgeon (Gobio gobio). Other frequently consumed fish species were the European chub (Squalius cephalus), the common carp (Cyprinus carpio), the European perch (Perca fluviatilis), the brown trout and the rainbow trout. Consumption of stocked brown trout was 1,80 %, while cosumption of stocked rainbow trout was 10,90 % of biomass. Otters in this area consumed about 723 - 1446 brown trouts and 72 - 144 rainbow trouts...

L’impératif d’une aquaculture durable conduit à orienter l’alimentation des poissons vers la substitution de la farine de poisson par des produits végétaux renouvelables. Toutefois, ce remplacement est souvent limité par des niveaux trop faibles en méthionine dans les matières premières végétales. Ainsi la supplémentation en méthionine de ces nouveaux régimes à base de végétaux est essentielle, mais requière une bonne connaissance de son rôle pour adapter les apports aux conditions physiologiques des poissons tout en prenant en compte les contraintes économiques et environnementales de production. Dans ce contexte, cette thèse avait pour principal objectif de caractériser les effets induits par une carence en méthionine sur le métabolisme mitochondrial de la truite arc en ciel. Les résultats obtenus dans notre première étude montrent que l'alimentation de truites avec un régime déficient en méthionine entraîne une baisse des performances de croissance associée à une baisse de l’intégrité mitochondriale et une diminution du statut oxydatif dans le foie. Nous démontrons également que ces perturbations s’accompagnent de l’induction d’un processus de dégradation des mitochondries par autophagie (appelé mitophagie) ainsi que d’une augmentation du stress du Réticulum Endoplasmique (RE) et de l’apoptose. Ces données originales publiées dans le journal Scientific Reports mettent ainsi en évidence les liens étroits qui existent entre différentes fonctions cellulaires pour faire face à un déséquilibre nutritionnel en méthionine. Outre cet effet à court terme, nous démontrons également, dans un seconde étude, qu’une carence en méthionine alimentaire pendant une courte période (2 semaines) lors des premiers repas des alevins entraîne une induction à long terme de facteurs liés à la mitophagie. Ces résultats, soumis à publication dans Journal of Experimental Biology, démontrent ainsi pour la première fois la mise en place d’un processus de programmation de cette fonction cellulaire par une carence précoce en méthionine. L’enrichissement en H3K4me3 et H3K36me3 des foies des poissons issus d’alevins carencés en méthionine par rapport aux poissons témoins suggère une implication de mécanismes épigénétiques dans ces effets. Enfin, dans une troisième étude qui se détache de la thématique principale de la thèse et qui a fait l’objet d’une publication dans le journal Frontiers in Physiology, nous nous sommes attachés à préciser les interactions existante entre l’autophagie, l’homéostasie du RE et le métabolisme intermédiaire. Dans l’ensemble, ces données approfondissent notre compréhension du rôle de la méthionine alimentaire au niveau cellulaire et soulignent le potentiel de cet acide aminé en tant que levier pour appliquer de nouvelles stratégies alimentaires, comme la programmation nutritionnelle, afin d’optimiser la nutrition et la santé des poissons d'élevage. / The expansion of the aquaculture industry in combination with limited availability and high prices of fishmeal has prompted feed producers to include more plant proteins in the aquaculture feeds. However, replacement of fish meal with plant proteins is often limited by the level of methionine in the alternative plant protein sources. Understanding of the different roles of methionine in fish is therefore essential to develop new diets and/or feeding strategies that are in tune with optimal fish growth, environmental and economic constraints. In this context, the main objective of this thesis was to characterize the effects induced by methionine deficiency on the hepatic mitochondrial metabolism in rainbow trout. The results obtained in our first study show that feeding trout with a methionine deficient diet leads to a decrease in growth performance associated with a decrease in both mitochondrial integrity and oxidative stress in the liver. We also demonstrate that these defects are accompanied by the induction of an autophagy-dependent mitochondrial degradation process (called mitophagy) as well as an increase in Endoplasmic Reticulum (ER)-stress and apoptosis. These original data published in Scientific Reports thus highlight the existence of close interactions between different cellular functions to cope to a dietary methionine deficiency. In addition to this short-term effect, we also demonstrate in a second study (submitted for publication in the Journal of Experimental Biology), that early nutritional stimulus during two weeks with a methionine deficient diet resulted in a long term programming of mitophagy. The enrichment of H3K4me3 and H3K36me3 in the liver of fish from methionine-deficient fry compared to their control counterparts suggests that epigenetic mechanisms are involved in these effects. Finally, in a third and last study, recently accepted for publication in Frontiers in Physiology, we sought to clarify, in primary culture of trout hepatocytes, the existing interactions between autophagy, ER homeostasis and intermediate metabolism under amino acid deprived conditions. Together, the results obtained in the present thesis extended our understanding of the role of dietary methionine at cellular level and emphasize the potential of this amino acid to apply new feeding strategies, such as nutritional programming, to optimize the nutrition and health of farmed fish.

Das Vorkommen von über den Umgebungsdruck erhöhten Sauerstoffpartialdrucken in Geweben ist im Tierreich nur von der Schwimmblase und dem Auge von Knochenfischen bekannt. Die physiologischen Mechanismen dieser Sauerstoffkonzentrierung wurden an der Schwimmblase insbesondere des Aals intensiv untersucht, entsprechende Untersuchungen zu den Vorgängen im Auge der Knochenfische fehlen jedoch. In dieser Arbeit wurde daher eine Methode etabliert, mit der die Sauerstoffkonzentrierung im Auge der Knochenfische an isolierten Augen untersucht werden kann. 1. Das Gefäßsystem der Regenbogenforelle (Oncorhynchus mykiss, Walbaum 1792) wurde durch Gefäßausgüsse dargestellt. Das im Auge gelegene choroidale Rete mirabile wird über die Arteria ophthalmica, die gleichzeitig die efferente Pseudobranchienarterie darstellt, versorgt. Die Pseudobranchie selber empfängt das Blut aus der efferenten Arterie des ersten Kiemenbogens. Diese Gefäßtopologie, Versorgung der Pseudobranchie mit bereits im ersten Kiemenbogen oxygeniertem Blut und auschließliche Versorgung des choroidalen Rete mirabile mit Blut aus der Pseudobranchie, weist auf die Bedeutung der Pseudobranchie für die Prozesse im Auge hin. 2. Die Retina der Regenbogenforelle wurde mikroskopisch untersucht. Die einzelnen Schichten der Retina entsprechen denen anderer Wirbeltiere. Die Forellenretina ist mit 407 µm aber wesentlich dicker als z.B. die Retina von Mammaliern. Zusätzlich fehlt der Retina der Forelle die bei vielen Mammaliern vorhandene retinale Blutgefäßversorgung. Mit den der Retina am nächsten gelegenen Gefäßen in der Choroidea bestehen bei der Forelle wesentlich größere Diffusionsstrecken von den Blutgefäßen zum Ort des Sauerstoffverbrauchs in den Zellen der Retina als bei anderen Wirbeltieren. Dies wir durch den erhöhten Sauerstoffpartialdruck in den Choriokapillaren kompensiert. 3. Für die Messung des intraretinalen Sauerstoffpartialdrucks wurden im Rahmen dieser Arbeit Sauerstoffmikroelektroden inklusive der zur Betreibung der Elektroden notwendigen Elektronik entwickelt. Die Elektroden waren vom Recess-Typ: die reaktive Oberfläche schloss nicht mit dem Ende der Glaskapillare ab, sondern war unter Belassung eines Hohlraumes in der Elektrodenspitze (Recess) in das innere der Glaskapillare verlagert. Dadurch waren die Elektroden unempfindlich gegenüber Rühreffekten. Die Mikroelektroden hatten eine Spitzendurchmesser von < 10 µm und eine mittlere Empfindlichkeit von 172 fA Torr-1 O2. Die Linearität der Elektroden über eine Partialdruckbereich von 0 bis 760 Torr O2 war besser als r = 0,9998. 4. Zur Überprüfung des normale Sauerstoffpartialdrucks in der Retina wurden Regenbogenforellen betäubt und künstlich ventiliert. Die systemischen Parameter wie arterieller PO2-Wert, Blutdruck und Herzschlag entsprachen dabei im Mittel mit 99 Torr (arterieller PO2), 28 Torr (Blutdruck) und 1,23 Hz (Herzschlag) den Werten unbetäubter, freischwimmender Forellen. Lediglich der arterielle pH-Wert war mit 8,02 während der künstlichen Ventilation durch eine ungenügende Kompensation einer respiratorischen Alkalose leicht gegenüber dem normalen Wert von 7,9 erhöht. 5. Die Auswirkungen der Präparation des Auges zur Messung des intraretinalen Sauerstoffpartialdrucks auf den Augeninnendruck wurde überprüft. Der Augeninnendruck betrug 4,9 Torr. Die Einbringung der Sauerstoffmikroelektrode hatte keine Auswirkung auf den Augeninnendruck. Erst das Entfernen der Elektrode nach der Messung führte zu einer deutlichen Verringerung des Augeninnendrucks. 6. Zum ersten Mal wurde in der vorliegenden Arbeit die Durchblutungsrate des Auges eines Knochenfisches bestimmt. Aus präparatorischen Gründen wurde die Messung an der afferenten Pseudobranchienarterie durchgeführt. Der mittlere Blutfluss in dem Gefäß betrug 745 µl min-1 kg-1. Durch Verschluss des kontralateralen Gefäßes stieg der Fluss auf 135% des ursprünglichen Wertes, da jetzt durch das ipsilaterale Gefäß und über die zwischen den beiden Gefäßen bestehende Anastomose beide Augen durch das ipsilaterale Gefäß mit Blut versorgt wurden. 7. Die Funktion der Retina während der intraretinalen Sauerstoffmessung wurde durch Ableitung des Elektroretinogramms kontrolliert. Trotz der während der Versuche fortbestehenden Betäubung mit dem Betäubungsmittel MS222, welches sich negativ auf das Elektroretinogramm auswirken soll, konnten normale Elektroretinogramme aufgezeichnet werde. Die invasive Messung des intraretinalen PO2 wirkte sich nicht negativ auf die Funktionalität der Retina aus. 8. Der intraretinale Sauerstoffpartialdruck wurde an betäubten, künstlich ventilierten Forellen überprüft. Der mittlere maximale PO2 im Bereich der Bruch´schen Membran betrug 382 Torr. An der Innenseite der Retina wurde ein PO2 von 10 Torr gemessen. Der Bereich des O2-Partialdruckgradienten in der Retina, gemessen über den Vorschub der Sauerstoffmikroelektrode vom niedrigsten bis zum höchsten PO2, betrug 433 µm, ein Wert der gut mit der mikroskopisch bestimmten Dicke der Retina (407 µm) übereinstimmt. 9. Zur Untersuchung der Einflüsse von Blutparametern auf die Sauerstoffkonzentrierung im Auge der Forelle wurden isolierte Augen künstlich mit verschiedenen Erythrozytensuspensionen perfundiert. Dazu wurde zum einen eine Suspension von Forellenerythrozyten eingesetzt, bei der erst der Root-Effekt in Abhängigkeit vom pH-Wert der Suspension bestimmt wurde. Bei basischem pH-Werten war das Hämoglobin der Erythrozyten vollständig gesättigt. Bei einem pH-Wert von 7,68 war noch eine Sättigung von 90% vorhanden, die bis zu einem pH-Wert von 7,31 auf 50% abnahm. 10% Sättigung wurden bei einem pH-Wert von 6,94 erreicht. Für die Perfusion wurde die Suspension der Forellenerythrozyten mit einem pH-Wert von 7,48 eingesetzt. Bei diesem pH-Wert liegt die Sättigung bei ca. 82% und eine Änderung des pH hat in diesem Bereich eine deutliche Änderung der Sättigung zur Folge, was die Freisetzung von O2 von Hämoglobin erleichtert. Als alternative Perfusionslösung wurde eine Suspension von Humanerythrozyten eingesetzt. Humanhämoglobin weist keinen Root-Effekt auf, es kann also durch die im Auge der Knochenfische vorhandenen Mechanismen kein Sauerstoff freigesetzt werden. 10. Der mittlere intraretinale Sauerstoffpartialdruck isolierter Augen betrug bei Perfusion mit der Suspension von Forellenerythrozyten 99 Torr. Nach dem Wechsel auf die Suspension mit Humanerythrozyten fiel der intraretinale Sauerstoffpartialdruck sofort auf 30 Torr ab. Der Perfusionsdruck änderte sich bei dieser Umstellung nicht. Bei Perfusion mit Ringerlösung fiel der intraretinale PO2 auf 20 Torr, gleichzeitig fiel jetzt auch der Perfusionsdruck ab. 11. Eine Konzentrierung des Sauerstoffs konnte bei der künstlichen Perfusion isolierter Augen nicht nachgewiesen werden. Die Notwendigkeit des Root-Effekts für einen hohen Sauerstoffpartialdruck im Auge wird trotzdem deutlich, da bei Perfusion mit einer Suspension von Humanerythrozyten, die einen höheren Sauerstoffgehalt aufwies als die Suspension der Forellenerythrozyten, der intraretinale Sauerstoffpartialdruck deutlich geringer war. 12. Das Modell des isoliert perfundierten Auges ist zur physiologischen Untersuchung des choroidalen Rete mirabile und Sauerstoffkonzentrierung besser geeignet als in vivo - Experimente, da systemische Einflüsse vermieden und die Auswirkungen der Pseudobranchie auf die Blutchemie ausgeschaltet werden können. / Oxygen partial pressures (Po2) above ambient levels are found only in the swimbladder and the eye of teleost fish species. The mechanisms related to the involved oxygen concentration processes have been investigated to some detail in eel swimbladder, but little attention has been paid to analogous mechanisms of the teleost eye. This thesis has accordingly concentrated on developing a method promoting investigation of oxygen concentrating mechanisms in teleost eyes by application of an isolated perfused eye preparation. 1. The vascular supply of eye and pseudobranch in rainbow trout (Oncorhynchus mykiss, Walbaum, 1792) was depicted by corrosion casts of the vascular system. The choroid rete mirabile is supplied with blood by the ophthalmic artery as the efferent blood vessel of the pseudobranch, with a small anastomosis to the contralateral vessel. The pseudobranch in turn is fed by the efferent artery of the first gill arch. This pattern of serial vascular connection suggests a role for the pseudobranch in the process of providing high oxygen tensions required for the high metabolic demand of the visual perception in the retina. 2. Eyes of various fish species were sectioned after paraffin embedding and examined microscopically. The organisation of teleost fish retinae is characterised by the same features and organisation well known from other vertebrates. However, the total thickness of 407 µm found for the retina of the rainbow is much larger than that observed in other animals such as mammals. The conditions of diffusive oxygen supply of retinal nerve cells is further hampered by the complete lack of intraretinal blood vessels commonly found in mammals. In trout, blood is supplied to only the choroid layer, leaving large diffusion distances to the retinal nerve cells to be spanned by oxygen partial pressures, elevated as compared to the bulk arterial system in the choroid capillaries. 3. Intraretinal oxygen partial pressure was determined in long-term anaesthetised specimens of Oncorhynchus mykiss, using specially developed oxygen microelectrodes and required electronic circuitry. Characteristic features of the electrodes include insensitivity of the signal to stirring, achieved by a recess of the reactive metal surface in a glass capillary, an average tip diameter of less than 10 µm and a characteristic sensitivity to oxygen of 172 fA Torr-1. The response of the electrodes to oxygen was linear over a range of partial pressures from 0 to 760 Torr O2 (r= 0,9998). 4. Normal oxygen partial pressures in trout retina were measured in long-term anaesthetised and artificially ventilated specimens of Oncorhynchus mykiss. In order to conduct the experiments under conditions as close as possible to normal homoiostasis, several systemic valuables were monitored continuously. During experimentation arterial Po2 averaged 99 Torr, mean blood pressure was 28 Torr and heart frequency was on the average 74 bpm, respectively, data in the range of values determined in unanesthetized, freely swimming trout. As the one exception, arterial pH (8,02) was slightly elevated during artificial ventilation as compared to control values (7,89), a shift induced by an inadequately high rate of artificial ventilation. 5. The impact of insertion of electrodes required for intraretinal Po2 measurement into the eye was found to have little effect. The intraocular pressure remained unaffected by opening the eye by puncture with leading cannula and inserted micro-Po2-electrode. The intraocular pressure fell only after removing the electrode after completion of the experiment. 6. Normal function of the retina during experimentation in vivo was checked by repeatedly measuring electroretinograms provoked by light flashes under dark ambient conditions. Although extended anaesthesia with MS222 is expected to affect the electroretinogram in fish, there was no indication of abnormal or reduced electroretinograms during experimentation. Also puncture of the eye with insertion of electrodes did not affect the electroretinogram. 7. Intraretinal Po2 was measured in anaesthetised and artificially ventilated trout. Oxygen profiles were recorded during advancement of the electrode tip though the retina, from the lowest Po2 at the inner surface with about 10 Torr to the highest Po2 in the region of Bruch´s membrane with about 382 Torr, travelling a total distance of 433 µm. This distance closely corresponds to the thickness of the retina measured by microscopic sectioning. 8. Blood flow to the eye as an important parameter for the establishment of an isolated eye preparation was measured in the afferent artery of the pseudobranch. Due to the anatomical situation this represents the closest possible approximation to measurement of flow in the ophthalmic artery. The blood flow was estimated by ultrasonic Doppler techniques with in situ calibration to be 216 µl min-1. Occlusion of the contralateral vessel resulted in an increase of the blood flow in the ipsilateral vessel to 135% of the original as a result of flow through the small anastomosis between the two ophthalmic arteries. This estimate is the first performed for blood flow to the eye of a fish. 9. An isolated eye preparation was used to investigate the influence of specific blood parameters on oxygen concentrating processes in the eye of Oncorhynchus mykiss. Eyes were perfused with suspensions of trout erythrocytes, human erythrocytes and Ringer´s solution. The Root Effect of trout haemoglobin was confirmed in suspension of erythrocytes. The haemoglobin was fully saturated at pH 8.45, still 90% saturated at 7.68, 50% at 7.31 and 10% at pH 6.94. In order to provide optimal starting conditions for the release of oxygen by relatively small changes in pH, pH 7.48 (resulting in 82 % saturation) was chosen for the perfusion of isolated eyes. As a control perfusion, suspensions of human erythrocytes provided a perfusate lacking any Root effect, thus not supporting the oxygen concentrating processes in fish eyes. 10. Perfusion of isolated trout eyes with pH 7.48 trout erythrocyte suspension resulted in an average intraretinal Po2 of 99 Torr, whereas perfusion with human erythrocytes resulted in an immediate decrease of Po2 to (of) 30 Torr, with a further drop to 20 Torr during perfusion with Ringer´s solution. Changes in perfusion between erythrocyte suspensions were performed without any changes in perfusion pressure, but the switch to control perfusion with Ringer´s solution exhibited a drop in perfusion pressure due to the reduced viscosity of the medium. 11. Although perfusion of isolated eyes did not exhibit Po2 above ambient values, the effect of oxygen concentrating processes were clearly indicated by comparison with Root effect-lacking human erythrocyte perfusate (Po2´s of 99 vs. 30 Torr, respectively). 12. It is concluded that studies of oxygen concentrating mechanisms are to be performed preferably on isolated eye preparations. For closer analysis of the involved mechanisms this preparation allows for isolated control of individual parameter of the perfusate. In particular, uncontrolled effects of the pseudobranch on the perfusate can be eliminated.

Eine effektive Strategie zur Verhinderung der Ausbreitung von Infektionskrankheiten in der Aquakultur ist die Anwendung geeigneter Präventionsmaßnahmen, insbesondere die Impfung von Fischen. Das effektivste Impfverfahren stellt die individuelle Injektion des Impfstoffes dar. Bei Milliarden von Fischen jährlich ist dies jedoch sehr zeit- und kostenintensiv. Bei Säugetieren gilt Niederfrequenz-Sonophorese (LFS) als eine der fortschrittlichsten Technologien zur transdermalen Verabreichung von Wirkstoffen. So entstand die Idee, bei Fischen die Aufnahme von Wirkstoffen während einer Tauchbadbehandlung mit Hilfe von LFS zu verbessern. Die vorliegende Arbeit zeigt, dass mit einer Beschallungsintensität von etwa 60 mW/cm^2 die Aufnahme eines Bakterienimpfstoffs in das Kiemengewebe von Regenbogenforellen um den Faktor 240 erhöht werden konnte. Bei dieser Intensität traten geringe oder keine Nebenwirkungen auf. Bei höheren Beschallungsintensitäten wurde eine noch höhere Aufnahme des Bakterienimpfstoffes, aber auch schädliche Nebenwirkungen beobachtet. Darüber hinaus zeigte LFS eine durch eine lokale Entzündungsreaktion und Aktivierung von T-Helferzellen in den Kiemen charakterisierte, Adjuvans-ähnliche Wirkung. Ein Impfversuch mit Koi Karpfen und einem inaktivierten Impfstoff gegen das Koi-Herpesvirus zeigte, dass LFS das Potential hat, den mit einer Tauchbadimpfung erzielbaren Immunschutz zu verbessern. LFS konnte auch für die Verabreichung anderer Substanzen wie Antibiotika verwendet und die Aufnahme von Oxytetracyclin um den Faktor fünf erhöht werden. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Effektivität einer Tauchbadimpfung von Fischen mit LFS durch die gesteigerte Impfstoffaufnahme und dessen Adjuvans-ähnlichen Wirkung verbessert werden kann. Darüber hinaus könnte mithilfe LFS die therapeutische Dosis von Antibiotika bei Badbehandlungen verringert werden. Es erfordert jedoch noch weitere Studien, um diese Technologie aus dem Labor in die Praxis zu übertragen. / In aquaculture, the use of prevention methods, such as vaccination of fish, is an effective strategy to avoid infectious diseases. However, the most effective route of vaccination for fish is the one-by-one intraperitoneal injection, which that is very laborious and expensive to apply for billions of fish every year. Low Frequency Sonophoresis (LFS) has been recognized as one of the most advanced technologies in transdermal delivery of substances in mammals. Thus, it has been suggested to use LFS to enhance the uptake of substances in fish during bath treatments. The present study shows that a low sonication intensity of ca. 60 mW/cm^2 at 37 kHz increased the uptake of a bacterin into the gill tissue of rainbow trout by up to a factor of 240. At this intensity, no or only minimal side effects occurred. At higher sonication intensities, an even higher bacterin uptake but also deleterious side effects were observed. In addition, LFS showed an adjuvant-like effect characterized by a local inflammatory response and T-helper cell activation in the gills. A vaccination trial with koi carp and an inactivated vaccine against the Koi Herpes Virus (KHV) showed that LFS has the potential to enhance the immune protection achieved by immersion vaccination. In addition LFS can also be used for the administration of other substances, such as antibiotics, here we showed that the uptake of Oxytetracycline could be increased by factor five. In summary, the efficacy of the immersion vaccination of fish could be improved by low-frequency ultrasound due, to the increased vaccine uptake along with its adjuvant-like effect. Furthermore, LFS could also reduce the required therapeutic dose of antibiotics in bath treatments, making them more effective, cheaper and environmentally friendly. However, further practical studies will be required to transfer this technology from the lab to the field.

Die Bedingungen für die Vermarktung von Fischereierzeugnissen sind streng geregelt. Die Deutsche Fisch-Hygiene-Verordnung (VO) schreibt in den §§ 4 (1) und 6 vor, dass alle Fische unverzüglich nach dem Fang und der Tötung ausgenommen werden müssen. In diesem Punkt ist die deutsche VO strenger als das europäische Gemeinschaftsrecht (RL 91/493/EWG). Sowohl durch die in einzelnen Bundesländern unterschiedliche Auslegung des Begriffes "unverzüglich" als auch durch die in anderen EU-Ländern erlassenen Vorschriften ergibt sich eine gewisse Rechtsunsicherheit bei der Vermarktung von Ganzfischen. Im Gegensatz zu Seefischen gibt es bei Süßwasserfischen nur wenige Untersuchungen zum Vergleich der sensorischen und hygienischen Parameter von ausgenommen und unausgenommen gelagerten Fischen. Ziel der Untersuchungen war es daher, an den zwei Modellfischarten Regenbogenforelle (Oncorhynchus mykiss) und Ostsee-Zander (Sander lucioperca) gesundheitlich-hygienische als auch qualitative Gründe für bzw. gegen das Ausnehmen von Süßwasserfischen zu ermitteln. Zum einen wurde während der Lagerung bis zum Verderb wiederholt der Keimstatus der Fische bestimmt, wobei sowohl die Verderbsorganismen als auch potentiell humanpathogene Keime (Vibrio spp., Aeromonas spp., Clostridium spp., Salmonella spp., Listeria spp.) im Fischgewebe erfasst wurden. Zum anderen wurden fischartspezifische Frischegrad- und Kochprobenschemata entwickelt, die den Verderbsprozessen der beiden Süßwasserfischarten während der Lagerung angepasst sind und für eine Bestimmung der sensorischen Eigenschaften angewendet werden können. Darüber hinaus erfolgte bei den Zandern eine Untersuchung der Muskulatur und der Eingeweide auf einen Befall mit humapathogenen Nematoden und eine Bestimmung von flüchtigen Basenstickstoff (TVB-N) in der Filetmuskulatur. Die vorliegenden Ergebnisse lassen den Schluss zu, dass unausgenommene Fische, sofern eine optimale Lagerung gewährleistet ist, hygienisch unbedenklich sind und für einen Zeitraum von einigen Tagen qualitativ gleichwertig mit ausgenommenen Fischen bleiben, bevor autolytische Bauchhöhlenprozesse die Qualität des Ganzfisches beeinträchtigen. Dabei hängt der Zeitraum unter anderem von der Fischart und dem Nüchterungsgrad ab. Mikrobiologische Gründe sprechen eher gegen ein frühzeitiges Ausnehmen, da die bakterielle Belastung der Bauchhöhle durch die Schlachtung höher ausfällt als bei unausgenommen gelagerten Fischen. Demnach kann durch ein spätes Ausnehmen zwar ein schnellerer Qualitätsverlust bei Ganzfischen auftreten, aber aus hygienischer Sicht, auch im Zusammenhang mit humanpathogenen Keimen, ist eine erhöhte Gesundheitsgefährdung des Verbrauchers nicht zu erwarten. / Conditions for the marketing of fishery products are strictly regulated. In Germany, the fish hygiene regulations (§§ 4(1) and 6) demand the gutting of all fishes immediately after the catch. This regulation is more restrictive than the corresponding EU-legislation (RL 91/493/EWG). But several German counties interprete the term "immediately" differently, and most other EU-countries have more permitting regulations, thus creating legal ambiguities in the marketing of whole fishes. Unlike the situation in seafish there are only few surveys in fresh water fish comparing possible sensoric and hygienic effects of gutted and ungutted storage. The aim of this study therefore was to examine health and hygiene related as well as qualitative reasons for or against an immediate gutting of freshwater fish, using aquaculture rainbow trout (Oncorhynchus mykiss) and pike-perch (Sander lucioperca) from the Baltic Sea as model fish species. The bacterial load in several tissues of gutted and ungutted fish, spoilage organisms as well as potentially pathogenic bacteria (Vibrio spp., Aeromonas spp., Clostridium spp., Salmonella spp., Listeria spp), were determined repeatedly throughout the storage period and statistically compared. Furthermore, species-specific grading schemes for the whole fish as well as for steamed fillets were developed that allowed the assessment of spoilage and of the sensoric characteristics of gutted and ungutted fishes. In pike-perch, muscle tissue and guts were examined for pathogenic nematode larvae and the fillet content of total volatile basic nitrogen was determined. The results of this study lead to the conclusion that ungutted fish, as long as optimal storage conditions are guaranteed, bear no special hygienic risks and keep a quality comparable to gutted fish for at least some days before autolytic processes in the body cavity compromise the quality of the whole fish. The length of this storage period depends mainly on the fish species and the filling of the digestive tract. From a microbiological point of view early gutting is not advisable because the gutting process itself results in a higher bacterial contamination of the body cavity than that found in fish stored ungutted. Therefore, a later gutting may lead to a faster loss of quality in whole fish but a higher hygienic risk for the consumer, even in connection with bacteria pathogenic for humans, can not be stated.

Durch Parasiten stellen eine starke Gefährdung für die Aquakultur dar. Die durch diplomonaden Flagellaten bei der Regenbogenforelle Oncorhynchus mykiss verursachte Morbidität und Mortalität wurde bisher in Deutschland noch nicht gründlich untersucht. Ich habe diese Parasiten mittels SEM & TEM charakterisiert und wurde die Art Spironucleus salmonis bestimmt. Erstmals konnten die caudale Projektion, sich entleerende Vakuolen und verformbare Kernloben nachgewiesen werden. Ich untersuchte Mikrohabitatpräferenz von des Parasiten sowie pH-Profile in vier Darmabschnitten der Fische. Das Vorkommen und die Dichte von S. salmonis war in der Pylorusregion wesentlich höher als in anderen Bereichen. Das pH-Profil war bei infizierten und nicht infizierten Fischen gleich. Der optimale pH-Wert für S. salmonis war 7,1-7,5. Ich habe die Lebenszyklus der Diplomonaden mittels LM & SEM unter Kulturbedingungen untersucht. Die Enzystierung begann mit der Anheftung von Trophozoiten mit der Spitze der adhäsiven hinteren Flagellen aneinander oder an Fremdkörper. Die pyriformen Trophozoiten wurden kugelförmig, und die vorderen Flagellen inaktiv. Oberflächenbläschen produzierten eine lichtbrechende Zystenwand. Dies ist der erste Beschreibung der Multifunktionalität von Flagellen bei Diplomonaden. Ich untersuchte pathogene Mechanismen und sezierte die Pylorusregion sowie die Leber mittels H&E, PAS/AB. Bei infizierten Fischen trat eine signifikante Hypertrophie der Becherzellen auf. Zu erkennen war eine Hyperaktivität der Becherzellen, jedoch keine Hyperplasie. Ich entwickelte einen in vitro  Plasma-Inkubationstest zur Bestimmung der Suszeptibilität von Regenbogenforelle, Karpfen und Störe. Die unterschiedliche Resistenz von Stör, Karpfen und Regenbogenforelle gegen S. salmonis entsprechend zu den epizootiologischen Daten. Meine Untersuchungen führten zu einem neuen diagnostischen Hilfsmittel, Vorschlägen für neue Behandlungsmethoden, zu verbesserten in vitro-Kulturbedingungen und einem Modellsystem für die Multifunktionalität von Flagellen und flagellaren Signaltransduktion. / Parasitic diseases pose a significant threat to aquaculture. Diplomonad flagellates in rainbow trout Oncorhynchus mykiss are associated with morbidity and mortality; but in Germany has not been thoroughly studied. I characterised the species by SEM & TEM, which revealed Spironucleus salmonis, allowed its complete description including newly showing the caudal projection, discharging vacuoles, and deformable nuclear lobes; diagnostic keys were improved. The microhabitat preference of diplomonads was tested by recording occurrence and density of infection, and pH profile in 4 intestinal regions in fish. Occurrence and density of S. salmonis were significant higher in the pyloric region than elsewhere. The pH profile in uninfected and infected fish was similar; a causal relationship between microhabitat preference and pH was unlikely, and the optimal pH was between 7.1 – 7.5. I described life cycle and encystment using light and SEM. Encystment in culture began by trophozoites attaching at tip of adhesive posterior flagella to each other/debris. Pyriform trophozoites became sub-spherical, anterior flagella inactive, surface blebs produced a refractile cyst wall. Cysts clusters may exceed minimum infective dose for new infection; suggesting new treatment target. This is the first report of multi-functionality of flagella in diplomonads. I investigated pathogenic mechanism of diplomonads by sectioning and staining the pyloric region of the intestine and liver with H&E, and PAS/AB. There was significant hypertrophy of goblet cells in infected fish. The hyperactivity of goblet cells was seen, but no hyperplasia. This hyper-production of mucus may decrease nutrient absorption, underlying impaired growth in S. salmonis infected fish. I developed an in vitro plasma incubation test to predict host susceptibility of rainbow trout, carp, and sturgeon. The test showed the hierarchy of resistance of S. salmonis in sturgeon > carp > rainbow trout; this parallels epizootiological data. My research yielded new diagnostic tool, suggested new treatment target, improved in vitro conditions, and new model system for multi-functionality of flagella and flagellar signalling.

Au cours de ma thèse, nous avons utilisé la truite arc-en-ciel, un poisson carnivore et modèle potentiellement pertinent du diabète, pour étudier des mécanismes de régulation du métabolisme intermédiaire hépatique par les nutriments (acides aminés (AA) et le glucose). Nous nous sommes plus particulièrement intéressés aux voies de signalisation de l’insuline et des acides aminés (Akt et mTORC1). Grâce à l’utilisation de rapamycine, un inhibiteur pharmacologique de mTORC1, nous avons montré que l'activation de mTORC1 stimule l'expression de gènes de la lipogenèse, de la glycolyse et du catabolisme des acides aminés, tandis que la voie de signalisation Akt inhibe celle des gènes impliqués dans la néoglucogenèse. Ces études ont été conduites dans le foie de truite ou en culture primaire d’hépatocytes de truite arc-en-ciel. En outre, nous avons démontré lors de stimulations à court terme in vivo et in vitro que l'expression hépatique des gènes de la lipogenèse est plus sensible à l'apport de protéines alimentaires ou d’AA qu’à l'apport de glucides ou de glucose. De plus, nous avons observé que des taux élevés d’AA conduisent, par le biais de l’activation de la voie de signalisation mTORC1, à une augmentation de l'expression des gènes lipogéniques mais surtout à une répression de l’inhibition de l’expression des gènes de la néoglucogenèse induite par l’insuline. Cet effet s’accompagne d’une augmentation de la phosphorylation de IRS-1 sur le résidu Ser302 qui pourrait être responsable de la baisse de phosphorylation d'Akt et par conséquent d’une inhibition de l’action de l'insuline. Enfin, en réalisant un test de tolérance au glucose chez des truites préalablement traitées avec de la rapamycine, nous avons conclu que la néoglucogenèse hépatique joue un rôle probablement majeur dans le contrôle de l'homéostasie glucidique chez la truite. Ainsi, une absence d’inhibition de la néoglucogenèse pourrait contribuer au maintien de l'hyperglycémie prolongée et au phénotype d’intolérance au glucose caractéristique des poissons carnivores. Cette thèse met en avant le rôle des protéines/AA dans la régulation du métabolisme intermédiaire de la truite et identifie certaines voies de signalisation cellulaire sollicités par les acides aminés pour réguler le métabolisme. Elle permet ainsi d’éclaircir certaines particularités nutritionnelles de la truite. / During my doctoral study, we used rainbow trout, a representative carnivorous fish and relevant diabetic model, to study the mechanisms underlying the regulation of hepatic intermediary metabolism by nutrients (amino acids (AAs) and glucose), and determine the potential involvement of insulin/Akt and mTORC1 signaling pathways in these regulations. Using acute administration of rapamycin, a pharmacological inhibitor of TOR, we first identified that mTORC1 activation promotes the expression of genes related to fatty acid biosynthesis, glycolysis and amino acid catabolism, while Akt negatively regulates gluconeogenic gene expression in rainbow trout liver and primary hepatocytes. Furthermore, we demonstrated hepatic fatty acid biosynthetic gene expression is more responsive to dietary protein intake/AAs than dietary carbohydrate intake/glucose during acute stimulations in vivo and in vitro. Moreover, we further showed that high levels of AAs up-regulate hepatic fatty acid biosynthetic gene expression through an mTORC1-dependent manner, while excessive AAs attenuate insulin-mediated repression of gluconeogenesis through elevating IRS-1 Ser302 phosphorylation, which in turn impairs Akt phosphorylation and dampens insulin action. Finally, using glucose tolerance test and acute inhibition of rapamycin, we concluded that hepatic gluconeogenesis probably plays a major role in controlling glucose homeostasis, which maybe account for the prolonged hyperglycemia and glucose intolerance phenotype of carnivorous fish. The present thesis brings forward our understandings about the roles of protein/AAs in the regulation of hepatic intermediary metabolism in trout and identifies relevant cellular signaling pathways mediating the action of amino acids on metabolism. It also clarifies some nutritional characteristics of the trout.

La majorité des polluants organiques persistants, tels que les hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP), sont hydrophobes et de ce fait s’accumulent au cours du temps dans les sédiments aquatiques. Dans ce contexte, des tests ont été mis en œuvre sur embryons et pro-larves de truite arc-en-ciel Oncorhynchus mykiss et de médaka japonais Oryzias latipes pour étudier la toxicité de ces contaminants. Un sédiment artificiel et de nouveaux critères d’effets sur l’intégrité de l’ADN et l’activité natatoire ont été développés pour améliorer la reproductibilité et la sensibilité des tests. Ces bioessais ont été appliqués à la comparaison de la toxicité de trois mélanges de HAP : un extrait pyrolytique et deux extraits issus d’un pétrole léger Arabian Light et lourd de type Erika. Les trois mélanges de HAP ont été enrobés sur un sédiment artificiel ou sur des graviers à des concentrations comparables à celles retrouvées dans l’environnement. L’exposition des embryons à ces matrices contaminées a provoqué des perturbations de l’expression de gènes impliqués dans le fonctionnement mitochondrial, le métabolisme de la vitamine A, la formation de dommages à l’ADN ainsi que la synthèse d’hormones. Parallèlement ces mélanges ont induit des effets tératogènes, des perturbations de l’activité natatoire et des effets génotoxiques. Le degré de toxicité et le spectre d’effets induits étaient différents selon la composition des mélanges testés. Les mélanges pétrogéniques présentant une forte proportion en HAP de faibles poids moléculaires et HAP alkylés, se sont avérés plus toxiques envers les jeunes stades de développement de poissons que le mélange pyrolytique, composé en majorité de HAP à hauts poids moléculaires non substitués. Des résultats comparables ont été obtenus avec les modèles médaka japonais et truite arc-en-ciel. / Most persistent organic pollutants, such as polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs), are hydrophobic and therefore accumulate over time in aquatic sediments. In this context, tests were performed on rainbow trout Oncorhynchus mykiss and Japanese medaka Oryzias latipes embryos and prolarvae to study the toxicity of these contaminants. Artificial sediment and new integrative endpoints including DNA integrity and swimming activity were developed to improve reproducibility and sensitivity of the tests. These bioassays were applied to the toxicity assessment of three PAH mixtures: a pyrolytic extract and two petrogenic extracts from Arabian Light and Erika oils. The three PAH mixtures were spiked onto sediment or gravel at environmental relevant concentrations. Embryonic exposure to these contaminated matrices induced alteration of gene expressions involved in mitochondrial functions, vitamin A metabolism, DNA damages and hormone synthesis. In parallel, these mixtures induced teratogenicity, alteration of swimming activity and genotoxicity. The toxicity potency and spectrum of effects differed according to PAH mixture composition. The petrogenic mixtures, with high proportions of low molecular weight PAHs and alkylated PAHs, were more toxic to fish early life stages than the pyrolytic mixture, mainly composed of high molecular weight PAHs non substituted. Comparable results were obtained with Japanese medaka and rainbow trout early life stages.

<p>This thesis presents models applicable for aquatic ecosystems. Geographical Information Systems (GIS) form an important part of the thesis. The dynamic mass balance models focus on nutrient fluxes, biotic/abiotic interactions and operate on different temporal and spatial scales (site, local, regional and international). The relevance and role of scale in mass balance modelling is a focal point of the thesis.</p><p>A mesocosm experiment was used to construct a model to estimate the nutrient load of phosphorus and nitrogen from net cage fish farming (i.e., the site scale). The model was used to estimate what feeding conditions that are required for a sustainable aquaculture scenario, i.e., a zero nutrient load situation (a linkage between the site scale and the regional scale). </p><p>A dynamic model was constructed for suspended particulate matter (SPM) and sedimentation in coastal areas (i.e., the local scale) with different morphometric characteristics and distances to the Sea. The results demonstrate that the conditions in the Sea (the regional and international scale) are of fundamental importance, also for the most enclosed coastal areas.</p><p>A foodweb model for lakes was transformed and recalibrated for Baltic Sea conditions (i.e., the international scale). The model also includes a mass balance model for phosphorus and accounts for key environmental factors that regulate the presuppositions for production and biomasses of key functional groups of organisms. The potential use of the new model for setting fish quotas of cod was examined.</p><p>For the intermittent (i.e., regional) scale, topographically complex areas can be difficult to define and model. Therefore, an attempt was made to construct a waterscape subbasin identification program (WASUBI). The method was tested for the Finnish Archipelago Sea and the Okavango Delta in Botswana. A comparison to results from a semi-random delineation method showed that more enclosed basins was created with the WASUBI method.</p>