丁酸梭菌的生物學(xué)功能及其在水產(chǎn)養(yǎng)殖中的應(yīng)用研究進(jìn)展

徐亞飛，曾新福，樂 敏，李 慧，劉金松

(1．浙江惠嘉生物科技股份有限公司，浙江 安吉313307； 2．浙江大學(xué)動(dòng)物科學(xué)學(xué)院，浙江 杭州310058)

隨著水產(chǎn)養(yǎng)殖集約化程度的不斷提高，養(yǎng)殖生態(tài)環(huán)境的不斷惡化及大量抗生素的不合理使用導(dǎo)致水產(chǎn)動(dòng)物腸道菌群失調(diào)，使其免疫力下降、病害頻發(fā)，給水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)造成較為嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失[1-2]。微生態(tài)制劑因綠色環(huán)保、無毒副作用、無殘留、作用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)逐漸成為最有潛力的抗生素替代品[3]。目前，光合細(xì)菌[4]、芽孢桿菌[5]、EM菌[6]和乳酸菌[7]等產(chǎn)品已經(jīng)在水產(chǎn)養(yǎng)殖中得到廣泛的應(yīng)用，在預(yù)防水產(chǎn)動(dòng)物疾病和凈化養(yǎng)殖水環(huán)境方面發(fā)揮著重要作用。

丁酸梭菌(Clostridiumbutyricum)，又稱酪酸梭菌，1933年由日本千葉醫(yī)科大學(xué)宮入近治博士首先發(fā)現(xiàn)并報(bào)告。丁酸梭菌是一種革蘭氏陽性、嚴(yán)格厭氧，能夠形成內(nèi)生芽孢，可產(chǎn)生丁酸等短鏈脂肪酸(SCFA)的益生菌[8]。菌體形狀為直或微彎，兩端鈍圓，周身鞭毛，能運(yùn)動(dòng)；孢子圓形或卵圓形，偏心或次端生。在瓊脂平板上形成白色或奶油色的不規(guī)則圓形菌落，稍突，表面濕潤(rùn)光滑，不透明。此菌常存在于土壤、酸奶、動(dòng)物和人體的腸道等厭氧環(huán)境中。丁酸梭菌具有調(diào)節(jié)腸道微生態(tài)平衡，促進(jìn)腸道上皮組織再生和修復(fù)的作用，并具有耐高溫和耐低pH的特性[9-10]。目前，丁酸梭菌制劑已被用于人類和畜禽腸道疾病的預(yù)防[11-14]。隨著人們對(duì)丁酸梭菌研究的不斷深入及對(duì)水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)健康發(fā)展的不懈追求，丁酸梭菌在水產(chǎn)養(yǎng)殖中的應(yīng)用研究也逐漸展開。

1 丁酸梭菌的主要生物學(xué)功能

1.1 維持消化道微生態(tài)平衡

丁酸梭菌可促進(jìn)消化道內(nèi)有益菌的增殖并抑制病原菌或腐敗菌的異常增殖，維持消化道微生態(tài)平衡，調(diào)理腸道菌群紊亂，減少腸道毒素的積累。陳秋紅等[15]研究表明丁酸梭菌CB-7對(duì)腸道致病菌大腸桿菌、志賀氏菌和沙門氏菌具有較強(qiáng)的抑制作用，同時(shí)可顯著促進(jìn)腸道有益菌嗜酸乳桿菌、雙歧桿菌的增殖；宋增福等[16]研究表明丁酸梭菌可有效抑制魚類腸道病原菌遲緩愛德華氏菌、鰻弧菌和嗜水氣單胞菌的生長(zhǎng)，其抑菌效果要明顯優(yōu)于硫酸鏈霉素；宋增福等[17]研究還表明丁酸梭菌可黏附到鯽魚的腸道上皮細(xì)胞，有效抑制致病性鰻弧菌對(duì)腸道上皮細(xì)胞的黏附，且對(duì)鯽魚腸道上皮細(xì)胞沒有損傷。

1.2 改善腸道上皮組織的健康狀況

丁酸梭菌在腸道內(nèi)可代謝產(chǎn)生丁酸。丁酸是腸道上皮組織細(xì)胞再生和修復(fù)的主要能量來源，具有修復(fù)腸道黏膜并降低腸黏膜通透性的功能[18]。Ling等[19]研究表明，丁酸梭菌對(duì)抗生素導(dǎo)致的腸道黏膜損傷、絨毛破壞及上皮細(xì)胞腫脹脫落有明顯的修復(fù)效果。凡納濱對(duì)蝦(Litopenaeusvannamei)在被飼喂含有丁酸梭菌的飼料后，腸道上皮細(xì)胞層的厚度顯著增加，上皮細(xì)胞之間的連接更加緊密，微絨毛整齊排列，沒有觀察到壞死或損傷的腸道細(xì)胞[20]。因此，丁酸梭菌可改善水產(chǎn)動(dòng)物腸道上皮組織的健康狀況。

1.3 提高機(jī)體免疫力

丁酸梭菌可提高水產(chǎn)動(dòng)物的機(jī)體免疫力和抗病力。將丁酸梭菌添加到美國紅魚(Sciaenopsocellatus)的飼料中，可以提高美國紅魚血清和體表黏液中溶菌酶的活性，同時(shí)增強(qiáng)酸性磷酸酶(ACP)和酚氧化酶(PO)的活性，增加血漿中免疫球蛋白M(IgM)的濃度和血清中補(bǔ)體C3的水平，還可顯著提高吞噬細(xì)胞呼吸爆發(fā)活性，提高美國紅魚的免疫力[21]。Sakai 等[22]研究表明在飼喂丁酸梭菌后，虹鱒(Oncorhynchusmykiss)吞噬細(xì)胞的吞噬作用顯著增強(qiáng)，白細(xì)胞超氧陰離子量顯著增加，對(duì)弧菌病的抵抗力顯著增強(qiáng)，表明丁酸梭菌可通過活化白細(xì)胞來增強(qiáng)虹鱒的免疫力。

1.4 促進(jìn)營養(yǎng)物質(zhì)的消化吸收

飼喂丁酸梭菌可增加水產(chǎn)動(dòng)物腸絨毛和腸道上皮細(xì)胞微絨毛的高度，使腸道吸收表面積增加，促進(jìn)腸道對(duì)營養(yǎng)物質(zhì)的吸收[23]；丁酸梭菌可產(chǎn)生纖維素酶、蛋白酶、淀粉酶和糖苷酶等多種促進(jìn)機(jī)體消化的酶類[24]，同時(shí)可代謝產(chǎn)生多種維生素，直接為機(jī)體提供營養(yǎng)物質(zhì)。因此，丁酸梭菌可促進(jìn)水產(chǎn)動(dòng)物機(jī)體對(duì)營養(yǎng)物質(zhì)的消化和吸收，促進(jìn)其生長(zhǎng)。Nakajima 等[25]研究表明，丁酸梭菌能夠在動(dòng)物腸道中產(chǎn)生裂解酶和果膠甲基化酶，這兩種酶可以內(nèi)切和外切果膠，最終將果膠降解為揮發(fā)性脂肪酸(甲酸、乙酸和丁酸)，從而增加機(jī)體對(duì)脂肪酸的吸收利用。Howie等[26]研究發(fā)現(xiàn)丁酸梭菌能夠合成煙酸、泛酸、葉酸、維生素B1、核黃素和吡哆醇等多種維生素，這些維生素是動(dòng)物機(jī)體營養(yǎng)物質(zhì)代謝和生理功能調(diào)節(jié)過程中不可缺少的一類物質(zhì)，具有重要的營養(yǎng)作用。

2 丁酸梭菌在水產(chǎn)養(yǎng)殖中的應(yīng)用

2.1 在蝦類養(yǎng)殖中的應(yīng)用

在蝦類飼料中添加丁酸梭菌可增強(qiáng)蝦消化道的消化能力，改善其腸道健康狀況，提高機(jī)體的免疫力和抗應(yīng)激能力，促進(jìn)蝦類生長(zhǎng)。段亞飛等[20，27-29]分別在凡納濱對(duì)蝦、日本囊對(duì)蝦(Marsupenaeusjaponicus)和斑節(jié)對(duì)蝦(Penaeusmonodon)的配合飼料中添加丁酸梭菌進(jìn)行投飼試驗(yàn)，結(jié)果表明丁酸梭菌可增加凡納濱對(duì)蝦腸道短鏈脂肪酸含量和蝦體粗蛋白含量，調(diào)節(jié)腸道消化能力并增強(qiáng)氨脅迫條件下的腸道免疫機(jī)能，促進(jìn)凡納濱對(duì)蝦生長(zhǎng)；丁酸梭菌可調(diào)節(jié)日本囊對(duì)蝦腸道消化和代謝能力，增加腸道上皮細(xì)胞層的厚度和腸道SCFA含量，促進(jìn)日本囊對(duì)蝦生長(zhǎng)，并能降低飼料系數(shù)，增加蝦體粗蛋白含量，增強(qiáng)其高溫應(yīng)激條件下的腸道抗氧化能力；丁酸梭菌可增加斑節(jié)對(duì)蝦腸道消化酶活性，促進(jìn)其生長(zhǎng)，并增強(qiáng)亞硝酸鹽脅迫下斑節(jié)對(duì)蝦的抗氧化能力和存活能力。劉夢(mèng)等[30]研究表明凡納濱對(duì)蝦飼料中添加丁酸梭菌可促進(jìn)其生長(zhǎng)并提高血清非特異性免疫水平。Sumon等[31]對(duì)羅氏沼蝦(Macrobrachiumrosenbergii)的研究結(jié)果表明，飼喂含有丁酸梭菌飼料的羅氏沼蝦，其胃腸道蛋白酶活性和淀粉酶含量均得到提高，機(jī)體免疫力增強(qiáng)，同時(shí)養(yǎng)殖過程中常見致病菌哈維氏弧菌的生長(zhǎng)受到抑制。吳偉等[32]在日本沼蝦(Macrobrachiumnipponense)飼料中添加丁酸梭菌，發(fā)現(xiàn)丁酸梭菌可顯著提高日本沼蝦在亞硝酸鹽脅迫下的生長(zhǎng)率，以及肌肉組織中超氧化物歧化酶(SOD)和過氧化氫酶(CAT)的活性，表明丁酸梭菌不僅可以促進(jìn)日本沼蝦的生長(zhǎng)，而且還能增加日本沼蝦對(duì)亞硝酸鹽污染脅迫的耐受和抵抗能力。

2.2 在魚類養(yǎng)殖中的應(yīng)用

丁酸梭菌可調(diào)節(jié)魚類腸道微生態(tài)平衡，抑制致病菌的生長(zhǎng)，提高魚體免疫力，減少疾病的發(fā)生。飼喂含丁酸梭菌C2菌株的飼料，可促進(jìn)魚免魚(Miichthymiiuy)后腸雙歧桿菌數(shù)量的增長(zhǎng)，抑制大腸桿菌的生長(zhǎng)；鞏固假單胞菌優(yōu)勢(shì)菌群的地位，降低不動(dòng)桿菌屬、短桿菌屬和腸產(chǎn)氣桿菌屬細(xì)菌的比例[33]。顯然，飼喂丁酸梭菌可抑制魚免魚腸道致病菌生長(zhǎng)，從而預(yù)防腸道疾病。在魚免魚的另一項(xiàng)研究中，飼喂丁酸梭菌后魚免魚的血清PO活力和ACP活力顯著提高，血清與體表黏液中的溶菌酶活性、IgM含量均顯著升高，魚體生長(zhǎng)速度加快，故丁酸梭菌可提高魚免魚的體液免疫應(yīng)答水平并改善其生長(zhǎng)性能[34]。黃靈[35]在珍珠龍膽石斑魚(Epinephelusfuscoguttatus♀×Epinepheluslanceolatus♂)幼魚基礎(chǔ)飼料中添加丁酸梭菌，結(jié)果表明，飼料中添加丁酸梭菌可提高珍珠龍膽石斑魚的生長(zhǎng)性能和非特異性免疫能力，并降低哈維氏弧菌攻毒后珍珠龍膽石斑魚的累積死亡率。何瑞鵬等[36]研究表明，飼料中添加丁酸梭菌或其發(fā)酵液(包含丁酸梭菌及其代謝產(chǎn)物)對(duì)珍珠龍膽石斑魚生長(zhǎng)、消化酶活性和非特異性免疫酶活性均具有促進(jìn)作用。Gao等[37]研究表明，飼料中添加丁酸梭菌可增加銀鯧(Pampusargenteus)腸道蛋白酶、脂肪酶和淀粉酶活性，提高血清溶菌酶和SOD酶活性及IgM含量，從而提高銀鯧非特異性免疫功能并促進(jìn)魚體生長(zhǎng)。劉勝高[38]研究表明飼料中添加丁酸梭菌可促進(jìn)翹嘴鲌(Culteralburnus)生長(zhǎng)。將丁酸梭菌添加到鯽魚基礎(chǔ)飼料中可以促進(jìn)鯽魚對(duì)蛋白質(zhì)的消化吸收，提高鯽魚增重率，降低發(fā)病率，并減少鯽魚糞便中氨氮的含量[39]。

3 存在問題和展望

丁酸梭菌可形成芽孢，具有耐高溫的特性，可以耐受飼料工業(yè)的高溫造粒工藝；其耐低pH和耐膽鹽的特性[15]，可使之進(jìn)入水產(chǎn)動(dòng)物腸道并能存活生長(zhǎng)；此外，丁酸梭菌對(duì)多種抗生素具有較強(qiáng)的耐受性，可以與多種抗生素聯(lián)合使用[40]。因此，丁酸梭菌作為飼料添加劑在水產(chǎn)養(yǎng)殖中具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。

目前丁酸梭菌在水產(chǎn)養(yǎng)殖中的應(yīng)用和研究才剛剛起步，丁酸梭菌在生產(chǎn)和使用過程中存在的主要問題包括：1)不同廠家的丁酸梭菌的菌株來源和發(fā)酵水平相差較大，產(chǎn)品質(zhì)量良莠不齊；2)如何延長(zhǎng)丁酸梭菌在水中的保存時(shí)間還有待于進(jìn)一步研究；3)對(duì)丁酸梭菌在水產(chǎn)動(dòng)物體內(nèi)代謝過程的研究較少，代謝機(jī)制還不夠明確；4)丁酸梭菌與其它菌株協(xié)同作用還有待進(jìn)一步研究。為使丁酸梭菌能在水產(chǎn)養(yǎng)殖過程中發(fā)揮作用，需要注意：1)選擇具有生物安全性的優(yōu)良菌株，并選擇具有良好的發(fā)酵能力企業(yè)生產(chǎn)的產(chǎn)品，以保證丁酸梭菌的作用效果；2)利用微生物基因組學(xué)和代謝組學(xué)的方法，探究丁酸梭菌在水產(chǎn)動(dòng)物體內(nèi)的代謝過程，為丁酸梭菌的合理應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)；3)針對(duì)水產(chǎn)養(yǎng)殖動(dòng)物消化道特點(diǎn)，尋找與其具有協(xié)同作用的菌株，做出水產(chǎn)養(yǎng)殖用復(fù)合微生態(tài)制劑；4)通過制劑化技術(shù)，篩選菌體保護(hù)劑并優(yōu)化保存條件，有利于丁酸梭菌被水產(chǎn)動(dòng)物吸收?？傊S著丁酸梭菌在水產(chǎn)養(yǎng)殖中應(yīng)用和研究的深入，丁酸梭菌產(chǎn)品的生產(chǎn)和應(yīng)用將更加科學(xué)合理，從而促進(jìn)水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)的健康發(fā)展。