益生菌在工廠化水產(chǎn)養(yǎng)殖中的應(yīng)用及機(jī)制研究進(jìn)展

■錢 怡 周瑾茹 傅玲琳 呂振明 伊祥華 王彥波*

（1.浙江工商大學(xué)食品與生物工程學(xué)院，浙江杭州310018；2.浙江海洋大學(xué)海洋科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，浙江舟山316022；3.象山藍(lán)尚海洋科技有限公司，浙江象山315700）

我國是世界上最大的水產(chǎn)品生產(chǎn)和消費(fèi)大國，2016年全國水產(chǎn)品總產(chǎn)量達(dá)到6 901.25萬噸，其中養(yǎng)殖產(chǎn)量為5 142.39萬噸，占總產(chǎn)量的74.51%。為了滿足人們?nèi)找嬖鲩L的水產(chǎn)品需求，水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)近幾年發(fā)展迅速，成功實(shí)現(xiàn)了從“以捕為主”到“以養(yǎng)為主”的轉(zhuǎn)變。水產(chǎn)養(yǎng)殖方式多樣，其中工廠化水產(chǎn)養(yǎng)殖有著高投入、高收入、高自動(dòng)化的特點(diǎn)，成為漁業(yè)生產(chǎn)行業(yè)的高新技術(shù)項(xiàng)目。

工廠化水產(chǎn)養(yǎng)殖是一種采用現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)和現(xiàn)代生物學(xué)技術(shù)相結(jié)合，對(duì)水產(chǎn)品整個(gè)生長環(huán)境進(jìn)行全程高密度地監(jiān)管、控制，從而實(shí)現(xiàn)了養(yǎng)殖對(duì)象在最佳環(huán)境下獲得最大的產(chǎn)量，并且避免了資源浪費(fèi)和環(huán)境污染。我國從20世紀(jì)80年代開始初步嘗試工廠化養(yǎng)殖，隨著現(xiàn)代技術(shù)的不斷提高而發(fā)展迅速，引起了廣泛的關(guān)注。

在工廠化養(yǎng)殖過程中，常使用抗生素來提高水生動(dòng)物的存活率?？股氐臑E用導(dǎo)致新的耐藥菌產(chǎn)生，有研究表明，抗生素還能通過生物鏈的傳播最終影響人體健康[1]。益生菌主要由活的或死的有益微生物細(xì)胞或細(xì)胞的某種成分組成，作為飼料補(bǔ)充劑或水體添加劑，可運(yùn)用于工廠化水產(chǎn)養(yǎng)殖中，從而起到改善水質(zhì)、提高宿主腸道健康和增強(qiáng)免疫能力等作用，近年來已成為研究的熱點(diǎn)。

1 益生菌在工廠化水產(chǎn)養(yǎng)殖中的應(yīng)用進(jìn)展

1.1 益生菌在蝦類工廠化水產(chǎn)養(yǎng)殖中的應(yīng)用進(jìn)展

據(jù)調(diào)研，益生菌已逐步取代化學(xué)藥物和抗生素而被廣泛運(yùn)用于蝦類的工廠化養(yǎng)殖中，效果顯著。但有研究表明，由于益生菌種類和蝦種類的差異性，可表現(xiàn)出不同的應(yīng)用效果。如在凡納濱對(duì)蝦養(yǎng)殖過程中，以枯草芽孢桿菌為例，可以顯著增強(qiáng)其腸道消化酶的活性和提高腸道菌群的數(shù)量，最終提高對(duì)蝦養(yǎng)殖的存活率。而目前研究發(fā)現(xiàn)，在凡納濱對(duì)蝦養(yǎng)殖過程中，將芽孢桿菌屬與鏈霉菌屬或乳酸桿菌屬分別混用，可以改善循環(huán)水系統(tǒng)中水的質(zhì)量，提高沉積物中異養(yǎng)細(xì)菌的數(shù)量及水中甲烷濃度的百分比。分析原因發(fā)現(xiàn)，凡納濱對(duì)蝦的底棲生物行為與水體中的細(xì)菌群落關(guān)系密切。由此可見，在養(yǎng)殖過程中可根據(jù)不同的需求而添加相應(yīng)的益生菌（見表1）。丁酸梭菌作為常見的益生菌，應(yīng)用于不同的蝦類可產(chǎn)生不同的效果。主要包括提高蝦類的生長性能，提高日本對(duì)蝦的抗氧化能力，提高凡納濱對(duì)蝦腸道SFAC體內(nèi)粗蛋白質(zhì)含量和調(diào)節(jié)其腸道消化能力和免疫功能。因此在工廠化養(yǎng)殖過程中，應(yīng)根據(jù)養(yǎng)殖品種和不同的生長階段設(shè)計(jì)相應(yīng)的益生菌，同時(shí)考慮不同的菌種復(fù)合使用的協(xié)同和頡頏作用，充分發(fā)揮益生菌的作用。

表1 近5年益生菌在蝦類工廠化水產(chǎn)養(yǎng)殖中的典型運(yùn)用

1.2 益生菌在魚類工廠化水產(chǎn)養(yǎng)殖中的應(yīng)用進(jìn)展

據(jù)了解，益生菌已廣泛應(yīng)用于魚類工廠化養(yǎng)殖中，有效地解決了化學(xué)藥物的殘留問題，強(qiáng)化了魚類的免疫系統(tǒng)，促進(jìn)了營養(yǎng)物質(zhì)的消化和吸收，并通過分解水中有機(jī)物質(zhì)來調(diào)節(jié)養(yǎng)殖水體水質(zhì)。益生菌具有許多優(yōu)點(diǎn)，若使用不當(dāng)，不僅不能達(dá)到改善的效果，還會(huì)對(duì)魚類腸道造成不可逆轉(zhuǎn)的影響。因此，為了避免該現(xiàn)象的產(chǎn)生，可根據(jù)益生菌的種類、作用效果、使用量等因素以及魚的種類、大小、年齡的不同選擇合適的飼料配比，從而獲得最佳的應(yīng)用效果。Uros等[7]將乳酸菌應(yīng)用于梭鱸魚的工廠化養(yǎng)殖中，發(fā)現(xiàn)該菌對(duì)梭鱸魚幼魚的作用效果明顯，尤其是在促進(jìn)其蛋白質(zhì)消化率和骨骼發(fā)育等方面（見表2）。分析認(rèn)為，幼魚免疫系統(tǒng)尚未發(fā)育完全，除了依靠先天性免疫外，乳酸菌還可通過腸道促進(jìn)免疫器官發(fā)育，并通過產(chǎn)生乳酸、過氧化氫、抗菌肽等方式抑制病原微生物的生長。此外，有研究表明，將從成熟水生動(dòng)物中分離得到的益生菌應(yīng)用于幼魚的養(yǎng)殖中，其作用效果更加明顯。因?yàn)樵撘嫔M(jìn)入魚體腸道后能迅速成為優(yōu)勢菌，進(jìn)而發(fā)揮相應(yīng)的作用。

表2 近5年益生菌在魚類工廠化水產(chǎn)養(yǎng)殖中的典型應(yīng)用

1.3 益生菌在其他類工廠化水產(chǎn)養(yǎng)殖中的應(yīng)用進(jìn)展

益生菌在海藻類、貝類、軟體動(dòng)物等的水產(chǎn)養(yǎng)殖中的報(bào)道較少，尤其是在工廠化養(yǎng)殖中的應(yīng)用的研究。工廠化養(yǎng)殖憑借其先進(jìn)的技術(shù)手段，為養(yǎng)殖水生動(dòng)物提供了良好的生態(tài)環(huán)境，因此，研究益生菌在這些水生動(dòng)物工廠化養(yǎng)殖中的應(yīng)用具有重要的意義。有研究證明，某些益生菌的黏膜和一些代謝產(chǎn)物能促進(jìn)扇貝幼體變態(tài)附著，用這些細(xì)菌處理扇貝幼體可以顯著提高其產(chǎn)量和質(zhì)量。Liu等[12]從海參中分離梅奇酵母屬C14，并將其應(yīng)用于幼年海參的養(yǎng)殖中，結(jié)果表明海參的免疫應(yīng)答性和抗病性顯著提高（見表3）。因此，在實(shí)際養(yǎng)殖中，常選用取自水生動(dòng)物或其腸道的益生菌，以確保其能迅速在腸道黏膜上黏附、定植和繁殖，并與致病菌競爭黏附點(diǎn)和營養(yǎng)物質(zhì)，從而殺死致病菌，改善腸道健康。

表3 近5年益生菌在其他類工廠化水產(chǎn)養(yǎng)殖中的典型應(yīng)用

2 益生菌在工廠化水產(chǎn)養(yǎng)殖中的應(yīng)用機(jī)制

2.1 益生菌在工廠化水產(chǎn)養(yǎng)殖中的體外水體凈化機(jī)制

值得注意的是，在工廠化水產(chǎn)養(yǎng)殖中，許多養(yǎng)殖戶選用循壞水處理的方法調(diào)節(jié)水體質(zhì)量，但由于養(yǎng)殖過程中的無序性，如飼料的隨意添加、抗生素等化學(xué)藥物的濫用、養(yǎng)殖密度的增加等，使得養(yǎng)殖水體污染嚴(yán)重，整個(gè)密閉的養(yǎng)殖生態(tài)環(huán)境失衡。益生菌不僅能改善水生動(dòng)物的存活率，同時(shí)也是一種常用的、無污染的水質(zhì)調(diào)節(jié)劑（見表4）。Melgar等[22]已經(jīng)證明了沼澤紅假單胞菌、植物乳酸菌、干酪乳桿菌和釀酒酵母等多種益生菌具有改善養(yǎng)殖水體質(zhì)量的作用，其作用機(jī)制主要有調(diào)節(jié)水體pH值、降低硝酸鹽濃度、降低水中溶解氧濃度等。Zou等[23]研究了將不同比例的枯草芽孢桿菌、糞鏈球菌、光合細(xì)菌相結(jié)合來改善水質(zhì)，發(fā)現(xiàn)結(jié)合的菌種和比例不同，對(duì)于COD、氨氮濃度、亞硝酸鹽、硫化物的作用效果也不同。復(fù)合菌的有機(jī)結(jié)合與單一菌相比，可通過協(xié)同作用發(fā)揮更好的效果。每種益生菌功能的差異，與其結(jié)構(gòu)特性和生物活性有關(guān)，因此在養(yǎng)殖中須掌握好每種菌體的差異進(jìn)行組合使用，否則會(huì)影響復(fù)合菌的作用效果。此外，異養(yǎng)益生菌可催化一些重要的化學(xué)反應(yīng)，如固氮、硝化、反硝化和硫化反應(yīng)，加快有機(jī)物的生長[24]。另有研究發(fā)現(xiàn)，光合細(xì)菌在養(yǎng)殖水體中是優(yōu)勢菌，除了能抑制致病菌的生長外，還能提高磷元素的利用率和降解硝酸鹽的含量。

表4 益生菌在工廠化水產(chǎn)養(yǎng)殖中調(diào)節(jié)水質(zhì)的主要作用

2.2 益生菌在工廠化養(yǎng)殖中的體內(nèi)腸道改善機(jī)制

在工廠化水產(chǎn)養(yǎng)殖中，益生菌通過飼料投喂進(jìn)入水生動(dòng)物的腸道內(nèi)部。定植于腸黏膜表面，阻斷病原體的結(jié)合位點(diǎn)；分泌不同類型的防御分子，增強(qiáng)腸道免疫調(diào)節(jié)；優(yōu)化腸道菌群，促進(jìn)營養(yǎng)物質(zhì)的消化吸收，提高養(yǎng)殖產(chǎn)量。益生菌在工廠化養(yǎng)殖中的體內(nèi)腸道改善機(jī)制如圖1所示。

病原體一般需要附著在腸道黏膜表面進(jìn)行繁殖，益生菌通過消化道進(jìn)入腸道后迅速成為腸道優(yōu)勢菌群，與其競爭附著位點(diǎn)。有研究表明[25]，細(xì)菌包括益生菌在腸黏膜表面的吸附能力取決于其細(xì)胞壁中是否存在黏液結(jié)合蛋白。此外，益生菌通過產(chǎn)生胞外酶的形式加強(qiáng)宿主腸道的新陳代謝，包括一些蛋白酶、淀粉酶纖維素酶等。Wahyu等[26]研究了巨大芽孢桿菌（Bacillus megaterium）對(duì)鯰魚生長的影響，結(jié)果表明其顯著增強(qiáng)了鯰魚腸道內(nèi)蛋白酶和淀粉酶的活性，從而促進(jìn)了鯰魚個(gè)體生長。在實(shí)際養(yǎng)殖過程中，水質(zhì)、溫度、喂養(yǎng)量及喂養(yǎng)時(shí)間等外部因素與腸道pH值、體溫、喂養(yǎng)個(gè)體年齡等內(nèi)部因素都在一定程度上通過改變腸道內(nèi)菌群而影響其營養(yǎng)消化[27]。但對(duì)于這些益生菌在水生動(dòng)物體內(nèi)腸道代謝的實(shí)際作用機(jī)制尚未有確定的研究。

圖1 益生菌在工廠化水產(chǎn)養(yǎng)殖中的體內(nèi)腸道改善機(jī)制

益生菌或正常腸道共生菌與水生生物的黏膜免疫關(guān)系密切。一旦病原體進(jìn)入體內(nèi)，定植于腸道內(nèi)的益生菌就會(huì)迅速激活它的黏膜免疫系統(tǒng)，包括免疫和補(bǔ)體系統(tǒng)[28]。目前，對(duì)于益生菌對(duì)魚類、蝦類等水生動(dòng)物的免疫系統(tǒng)影響的研究，主要集中于測定其相關(guān)免疫基因的表達(dá)、白介素、細(xì)胞因子濃度等指標(biāo)。如Kim等[29]研究了屎腸球菌對(duì)于比目魚感染格式乳球菌后免疫應(yīng)答的影響。結(jié)果表明，屎腸球菌能有效刺激補(bǔ)體相關(guān)基因的表達(dá)，提高溶菌酶和蛋白酶活性。此外，益生菌還能通過刺激細(xì)胞因子的產(chǎn)生來提高水生動(dòng)物腸道的免疫調(diào)節(jié)。但至目前為止，益生菌對(duì)于水生動(dòng)物免疫調(diào)節(jié)的具體機(jī)制尚不清楚。He等[30]對(duì)雜交羅非魚投喂混有枯草芽孢桿菌C-3102的飼料后，發(fā)現(xiàn)其腸道菌群改變并且腸道黏附活菌數(shù)明顯增強(qiáng)，腸道細(xì)胞因子如IL-1b、TGF-β、和TNF-α的表達(dá)也顯著提高。隨著分子生物學(xué)技術(shù)的提高，變性梯度凝膠電泳（DGGE）、溫度梯度凝膠（TGGE）、RNA-seq等技術(shù)廣泛應(yīng)用于益生菌對(duì)腸道免疫調(diào)節(jié)的研究中，使得益生菌在工廠化水產(chǎn)養(yǎng)殖中的應(yīng)用更有針對(duì)性和有效性。

3 益生菌在工廠化水產(chǎn)養(yǎng)殖中的應(yīng)用前景

綜上所述，益生菌廣泛應(yīng)用于工廠化水產(chǎn)養(yǎng)殖中，具有改善水生生物健康、提高機(jī)體免疫力、提高養(yǎng)殖產(chǎn)量和凈化養(yǎng)殖水體等作用。但至目前為止，益生菌在工廠化水產(chǎn)養(yǎng)殖中的應(yīng)用還存在以下問題：①其改善機(jī)體健康和提高免疫力的具體機(jī)制尚未清楚；②一些來自于益生菌的生物活性物質(zhì)的作用機(jī)理不夠明確；③各種益生菌生存、定植和繁殖的最佳條件及喂養(yǎng)劑量、時(shí)間等有待進(jìn)一步研究；④益生菌對(duì)養(yǎng)殖水生生物健康的長期影響尚未確定，存在穩(wěn)定性和安全性問題；⑤亟需研發(fā)益生菌快速生產(chǎn)技術(shù)，以滿足工廠化大量使用的要求。隨著研究的進(jìn)一步深入，可利用分子生物學(xué)和高通量的基因組學(xué)等技術(shù)來進(jìn)行益生菌提高免疫力、腸道定植等方面機(jī)制的研究；此外，對(duì)于水生動(dòng)物腸道有益菌群的研究同樣有利于益生菌的可持續(xù)開發(fā)?？傊?，益生菌作為一種潛在的抗生素替代品，必將開啟工廠化水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展的新篇章。