益生菌在現(xiàn)代水產(chǎn)養(yǎng)殖中的應(yīng)用研究進(jìn)展

吳豪益 林 晨 傅玲琳 周志剛 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310035；2.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院飼料研究所，北京100081)

據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國2018年水產(chǎn)養(yǎng)殖總產(chǎn)量超過5 000萬噸，占水產(chǎn)品總產(chǎn)量的比重達(dá)78%以上，是世界上唯一養(yǎng)殖水產(chǎn)品總量超過捕撈總量的主要漁業(yè)國家。但是與現(xiàn)代水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)的綠色發(fā)展要求相比，依然面臨著環(huán)境污染、水質(zhì)惡化、抗生素等化學(xué)藥物的殘留和濫用問題，引起了廣泛的關(guān)注。益生菌因其獨(dú)特的生理功能，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于水產(chǎn)養(yǎng)殖中，在改善飼料風(fēng)味和適口性、提高飼料轉(zhuǎn)化率、促進(jìn)水產(chǎn)動(dòng)物生長、增強(qiáng)機(jī)體免疫力和抗病力、改善水質(zhì)和拮抗致病菌等方面均取得了顯著的研究效果，具有廣闊的發(fā)展前景。我國飼用益生菌的研究和開發(fā)較晚，技術(shù)水平、標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展與國外發(fā)達(dá)國家比較仍有一定差距，但是經(jīng)過近幾年的快速發(fā)展，我國針對現(xiàn)代水產(chǎn)養(yǎng)殖的飼用益生菌研發(fā)也有了長足的進(jìn)步，特別是2019年發(fā)布了團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)水產(chǎn)動(dòng)物飼用乳酸菌篩選標(biāo)準(zhǔn)（T/CSWSL 016—2019）、水產(chǎn)動(dòng)物飼用芽孢桿菌篩選標(biāo)準(zhǔn)（T/CSWSL 017—2019）等，為水產(chǎn)養(yǎng)殖益生菌領(lǐng)域的發(fā)展提供了支撐和依據(jù)，引領(lǐng)本領(lǐng)域未來可持續(xù)高質(zhì)量規(guī)范發(fā)展。

1 益生菌在現(xiàn)代水產(chǎn)養(yǎng)殖中的應(yīng)用

1.1 益生菌在魚類養(yǎng)殖中的應(yīng)用

益生菌在魚類養(yǎng)殖中對魚類健康具有積極作用，因此被廣泛應(yīng)用（表1）。Serra等[1]以歐洲鱸魚為研究對象，在以植物性為主的飼料中添加以Bacillus subtil?is和Bacillus cereus為主的芽孢桿菌類益生菌，結(jié)果發(fā)現(xiàn)益生菌改變了歐洲鱸魚腸道菌群，增強(qiáng)了其對非淀粉多糖類碳水化合物消化率，提高了其生長性能，進(jìn)一步分析表明，益生菌通過產(chǎn)生碳水化合物活性酶發(fā)揮其生理活性，這為后續(xù)機(jī)制探究奠定了基礎(chǔ)。除Bacil?lus subtilis 和Bacillus cereus 外，芽 孢 桿 菌Bacillus velezensis同樣對石斑魚生長性能具有積極作用，并且通過提高血清磷酸酶活性來增強(qiáng)石斑魚免疫系統(tǒng)，提高了其感染弧菌病后的生存率[2]。此外，益生菌Alii?vibrio 也可提高海參斑的生長性能，并且通過促進(jìn)免疫系統(tǒng)成熟提高對黏液分枝桿菌的抵抗力，降低海參斑死亡率[3]。與此同時(shí)，飼料中添加益生菌Paenibacil?lus polymyxa可以通過上調(diào)羅非魚腸道組織中的相關(guān)基因促進(jìn)黏液蛋白形成，進(jìn)而增強(qiáng)胃腸道屏障消除病原體的能力，此外，研究發(fā)現(xiàn)借助于調(diào)節(jié)胰島素樣生長因子（Insulin like growth factor, IGF）1 和2 基因的表達(dá)，益生菌的添加還可以影響羅非魚免疫系統(tǒng)[4]。

表1 益生菌在魚類養(yǎng)殖中的應(yīng)用

1.2 益生菌在蝦蟹養(yǎng)殖中的應(yīng)用

益生菌在蝦蟹養(yǎng)殖中也有較為廣泛的應(yīng)用，并取得了顯著的效果（表2）。以益生菌在蝦類中應(yīng)用研究為例，研究發(fā)現(xiàn)，在羅氏沼蝦飼料中添加益生菌Bacil?lus pumilus，可顯著提高細(xì)胞吞噬活性、呼吸爆發(fā)活性，以及過氧化氫酶、一氧化氮合酶、淀粉酶和酸性磷酸酶活性，改善蝦的生長，提高蝦增重率和比生長率[5]。飼用益生菌Enterococcus faecium（E. faecium）和Lac?tobacillus plantarum（L. plantarum）應(yīng)用于太平洋白蝦上的實(shí)驗(yàn)得到了同樣的結(jié)果，深入研究發(fā)現(xiàn)兩種益生菌通過刺激相關(guān)基因的表達(dá)，改善了太平洋白蝦的免疫力，提高了生存率[6]。此外，L. plantarum 還被證實(shí)具有提高太平洋對蝦消化酶（脂肪酶、淀粉酶和胃蛋白酶）活性，改善生長性能的作用[7]。

表2 益生菌在蝦蟹養(yǎng)殖中的應(yīng)用

1.3 益生菌在其他水產(chǎn)養(yǎng)殖中的應(yīng)用

益生菌在鮑、牡蠣、扇貝等水產(chǎn)養(yǎng)殖中也有應(yīng)用，參見表3，盡管益生菌和水產(chǎn)養(yǎng)殖動(dòng)物存在種類上的差異，但是應(yīng)用效果顯著。益生菌Lactobacillus pen?tosus在皺紋盤鮑中的應(yīng)用研究結(jié)果表明，適量的益生菌可以提高鮑魚對餌料的攝入量，也可改善鮑魚非特異性免疫，增強(qiáng)機(jī)體的免疫[11]。同樣，益生菌Bacillus的添加能夠顯著提高太平洋牡蠣對弧菌的抗性[12]，以海灣扇貝為研究對象的實(shí)驗(yàn)得到了類似的結(jié)果，益生菌提高了扇貝對溶珊瑚弧菌的抗性[13]。

表3 益生菌在其他水產(chǎn)養(yǎng)殖中的應(yīng)用

2 益生菌在現(xiàn)代水產(chǎn)養(yǎng)殖中的作用機(jī)制

2.1 益生菌在水產(chǎn)動(dòng)物營養(yǎng)與飼料中的作用機(jī)制

研究表明，益生菌借助于水產(chǎn)動(dòng)物飼料，通過腸道黏附定植、免疫系統(tǒng)增強(qiáng)和腸道菌群優(yōu)化發(fā)揮其生理功能，在改善飼料利用率、促進(jìn)機(jī)體生長以及提高水產(chǎn)品品質(zhì)等方面均有顯著的應(yīng)用效果，在食品安全廣泛關(guān)注的今天具有廣闊的研究和應(yīng)用前景（圖1）。益生菌進(jìn)入水產(chǎn)動(dòng)物消化道黏附和定植，從而對關(guān)鍵結(jié)合位點(diǎn)以及營養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)行競爭，以達(dá)到抑制病原微生物的黏附定植，增強(qiáng)水產(chǎn)動(dòng)物抗病力的效果[15]。研究發(fā)現(xiàn)，乳酸桿菌可降低鮭魚氣單胞菌、魚肉桿菌和魚翅桿菌對虹鱒魚腸道的黏附作用[16]。而在最近的研究中分離出的短小芽孢桿菌菌株A97，具有在低pH值及高濃度膽汁條件下存活及黏附定植腸上皮細(xì)胞的能力，具有成為優(yōu)良益生菌的潛力[17]。定植后的益生菌可以顯著提高尼羅羅非魚體內(nèi)白細(xì)胞水平、紅細(xì)胞脆性及呼吸爆發(fā)活性，通過誘導(dǎo)先天免疫分子提高了機(jī)體對嗜水鏈球菌攻擊的抵抗力[18]，在南亞野鯪上的研究同樣得到了證實(shí)[19]。此外益生菌還可影響免疫系統(tǒng)基因的表達(dá)。Amin 等[20]在以斑馬魚為模型的系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)益生菌可誘導(dǎo)先天免疫基因表達(dá)，進(jìn)而改善機(jī)體免疫系統(tǒng)并可顯著提高對嗜水氣單胞菌和海豚鏈球菌的抵抗力，但目前詳細(xì)的分子機(jī)制仍需要進(jìn)一步研究。近年來的研究逐步證實(shí)了腸道菌群與水產(chǎn)動(dòng)物健康之間的關(guān)聯(lián)性，益生菌介導(dǎo)的水產(chǎn)動(dòng)物腸道菌群優(yōu)化逐漸成為研究的熱點(diǎn)。研究發(fā)現(xiàn)，借助于微生物的群體感應(yīng)（Quorum sensing, QS）和群體猝滅（Quorum quenching, QQ）現(xiàn)象[21]，為益生菌關(guān)聯(lián)的腸道菌群優(yōu)化提供了新的思路。Zhang等[22]的研究表明芽孢桿菌QSI-1 可通過減少群體感應(yīng)信號分子AHL的積累，抑制魚類病原體嗜水氣單胞菌的毒力因子產(chǎn)生和生物膜形成，最終顯著改善了魚的存活率。由此可見，益生菌可通過群體猝滅有效發(fā)揮生物控制病原菌的作用，有望成為水產(chǎn)養(yǎng)殖中抗生素的替代物[23]。此外，通過控制鐵等關(guān)鍵營養(yǎng)素的濃度，利用菌群間對營養(yǎng)素的競爭抑制腸道病原菌同樣具有顯著的效果。鐵載體作為一種低分子量鐵螯合劑，能利用沉淀的鐵元素或從鐵配合物中獲取鐵元素用于細(xì)菌的生長，因此可以通過餌料中添加可以分泌鐵載體的益生菌抑制水產(chǎn)動(dòng)物腸道中的病原菌[24]。

圖1 益生菌在水產(chǎn)動(dòng)物營養(yǎng)中的作用機(jī)制

2.2 益生菌在養(yǎng)殖水體中的作用機(jī)制

養(yǎng)魚就是養(yǎng)水，水體的優(yōu)劣對于水產(chǎn)養(yǎng)殖的成敗具有決定性的影響。目前旨在改善水產(chǎn)養(yǎng)殖水體水質(zhì)的益生菌及其制劑已經(jīng)廣泛應(yīng)用并取得了顯著的效果[25]，隨著人們環(huán)境保護(hù)意識的提升和對高品質(zhì)水產(chǎn)品需求的快速增長，益生菌關(guān)聯(lián)的養(yǎng)殖水體中的微生態(tài)區(qū)系研究就顯得尤為重要。研究表明，益生菌借助于促進(jìn)有益浮游植物的生長，改善水產(chǎn)養(yǎng)殖水體的水質(zhì)[26-27]。Betina 等[28]報(bào)道了益生菌顯著影響微藻群落結(jié)構(gòu)（microalgae community structure，MCSs），研究通過聚類分析的方法揭示了益生菌可以改善微藻群落中的有益微藻演替和分布，抑制了有害藻類的生長，最終保障了蝦類水產(chǎn)養(yǎng)殖水體中MCSs 的穩(wěn)定。深入探究發(fā)現(xiàn)，益生菌通過分解水體中的有機(jī)物，調(diào)節(jié)水體中氮和磷的濃度進(jìn)而影響氨、亞硝酸鹽和硫化氫的含量。不同的益生菌具有不同的改善養(yǎng)殖水質(zhì)的能力，研究發(fā)現(xiàn)革蘭氏陽性益生菌（如芽孢桿菌）在將有機(jī)物轉(zhuǎn)化為CO2方面有更顯著的效果[29]。在Chumpol等[30]的研究中同樣證實(shí)了水體中添加益生菌球形紅細(xì)菌，顯著降低了水體中NH4+、NO2-、NO3-的含量并改善了水質(zhì)。同時(shí)在養(yǎng)殖水體中保持適宜的益生菌水平，也可以有效控制生產(chǎn)季節(jié)養(yǎng)殖水體中的顆粒有機(jī)碳[31]。此外，益生菌還可以顯著改善養(yǎng)殖水體溫度、pH 值、溶解氧、氨和硫化氫等參數(shù)[24，32]，影響?zhàn)B殖底質(zhì)沉積物中的異養(yǎng)細(xì)菌數(shù)量和葉綠素濃度[6，16]。

3 益生菌在現(xiàn)代水產(chǎn)養(yǎng)殖中的應(yīng)用展望

在過去的幾十年中，益生菌及其制劑在水產(chǎn)養(yǎng)殖中逐步得以應(yīng)用并取得了顯著效果，為行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供了支撐。但是隨著研究的深入，結(jié)合益生菌在現(xiàn)代水產(chǎn)養(yǎng)殖中的應(yīng)用實(shí)踐，未來益生菌的研發(fā)主要集中在以下幾個(gè)方面。一是不同種類的益生菌菌株在不同環(huán)境中生存、定植、增殖和發(fā)揮功能的最佳條件仍需深入優(yōu)化；二是益生菌與水產(chǎn)動(dòng)物互作的詳細(xì)分子作用機(jī)制和調(diào)控網(wǎng)絡(luò)仍待進(jìn)一步深入研究；三是復(fù)合益生菌內(nèi)小生境的微生態(tài)區(qū)系以及益生菌與宿主菌群之間的信息交流機(jī)制還需要持續(xù)探究；四是針對水產(chǎn)養(yǎng)殖用益生菌的菌種特性，相對廉價(jià)的發(fā)酵基質(zhì)原料依然需要進(jìn)一步拓展。隨著現(xiàn)代分析手段的進(jìn)步和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，在水產(chǎn)養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)中益生菌必將得以更為廣泛的研究和應(yīng)用。