乳酸菌對魚類生長影響研究進展

李瑞，王勁松，高夢祥

（1.長江大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，湖北 荊州 434025；2.荊楚理工學(xué)院生物工程學(xué)院，湖北 荊門 448000）

為了滿足人們對水產(chǎn)品需求的增加，水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)必須從粗放型向半集約型和集約型轉(zhuǎn)變[2]，提高增長率[1]，新型養(yǎng)殖系統(tǒng)不可避免地會伴隨一些新的問題，如疾病的爆發(fā)以及水環(huán)境的惡化，大量用抗生素或化學(xué)療法來抑制疾病。抗生素不僅殺死致病菌，還能殺死胃腸道系統(tǒng)中的有益微生物群，導(dǎo)致病原菌產(chǎn)生耐藥性和藥物殘留及環(huán)境危害等[3]。許多國家禁用抗生素后，開發(fā)動物抗生素生長促進劑替代品一直是全球動物營養(yǎng)領(lǐng)域的關(guān)注焦點[4,5]。

乳酸菌是一類能從發(fā)酵性碳水化合物中產(chǎn)生大量乳酸的革蘭氏陽性細菌的統(tǒng)稱，對宿主具有多種有益作用，如可增強魚類機體免疫力，幫助腸道消化、抵御病原菌，改善水質(zhì)，促進生長和繁殖，具有極大的抗生素替代品潛力[6]，近年來受到魚類養(yǎng)殖業(yè)的特別關(guān)注。目前在自然界已發(fā)現(xiàn)的這類菌至少有23 個屬，包括乳桿菌屬Lactobacillus、肉食桿菌屬Carnobacterium、鏈球菌屬Streptococcus、腸球菌屬Enterococcus、乳球菌屬Lactococcus、明串珠菌屬Leuconostoc、片球菌屬Pediococcus、氣球菌屬Aerococcus、奇異菌Atopobium、漫游球菌屬Vagococcus、利斯特氏菌屬Listeria、芽孢乳桿菌屬Sporolactobacillus、芽孢桿菌屬Bacillus 中的少數(shù)種、環(huán)絲菌屬Brochothix、丹毒絲菌屬Erysipelothrix、孿生菌屬Gemella、糖球菌屬Saccharococcus、四聯(lián)球菌屬Tetragenococcus、酒球菌屬Oenococcus、乳球形菌屬Lactosphaera、營養(yǎng)缺陷菌屬Abiotrophia、魏斯氏菌屬Weisella 和雙歧桿菌屬Bifidobacterium。其中乳桿菌屬和雙歧桿菌屬與機體的保健密切相關(guān)；治療和預(yù)防人和動物的某些腸道疾病也與這兩個菌屬中的許多菌有關(guān)[9]。在水產(chǎn)養(yǎng)殖中，乳酸菌的這種益生作用尤為重要，了解乳酸菌對魚類生長的影響十分必要[10,11]。乳酸菌被認為是安全的添加劑，添加乳酸菌促進魚類的健康具有廣闊的應(yīng)用前景[12,13]。但關(guān)于乳酸菌促魚類生長機理的研究甚少，大部分研究集中在魚類的免疫調(diào)節(jié)中。本文主要介紹乳酸菌在改善魚類腸道結(jié)構(gòu)、促進機體代謝及生長、凈化水質(zhì)等作用，重點闡述促魚類生長的作用機理。

1 乳酸菌對魚類生長的影響

1.1 改善魚類腸道結(jié)構(gòu)

乳酸菌能加強腸上皮結(jié)構(gòu)[14,15]。Falcinelli 等[16]研究表明，添加鼠李糖乳桿菌Lactobacillus rhamnosus 會增加斑馬魚Brachydanio rerio var 腸道微絨毛和腸上皮細胞長度，減少腸上皮中脂質(zhì)滴的大小，還提高了厚壁菌門序列的豐度，減少了放線菌的豐度。腸道微生物組誘導(dǎo)參與膽固醇和甘油三酸酯代謝的基因（fit2、agpat4、dgat2、mgll、hnf4α、scap 和cck），降低了體內(nèi)總膽固醇和甘油三酸酯含量，增加脂肪酸水平，使斑馬魚生長加快。大量研究表明，乳酸菌能與魚類病原菌產(chǎn)生競爭性粘附，分泌拮抗化合物抑制病原菌的生長[17]。

1.2 增強魚類的免疫調(diào)節(jié)

乳酸菌增強魚類免疫調(diào)節(jié)主要是通過抑制病原體的生長及作為免疫刺激劑[18]，通過顯著提高細胞和體液免疫反應(yīng)，如腎巨噬細胞吞噬活性、過氧化物酶和溶菌酶活性以及總蛋白水平。Balcazar 等[19]的研究也說明了這一點，在第二周結(jié)束時與對照組比較，所有乳酸菌處理組的頭部、腎臟中白細胞的吞噬活性和血清中的替代補體活性均顯著提高。另一項研究也表明，添加乳酸菌不同程度地激活了大菱鲆Scophthalmus maximus 白細胞呼吸爆發(fā)活性和吞噬作用[20]。在喂食短小芽孢桿菌Bacillus pumilus Meyer and Gottheil 和克勞氏芽孢桿菌Bacillus clausii 的石斑魚Epinephelus spp.中觀察到，血清IgM 水平、血清溶菌酶活性和吞噬活性顯著提高[21]。Giri 等[22]研究發(fā)現(xiàn)，枯草芽孢桿菌Bacillus subtilis、銅綠假單胞菌Pseudomonas aeruginosa 和植物乳桿菌Lactobacillus plantarum 組合飼料組顯著提高了巨噬細胞的血清溶菌酶活性和替代補體途徑（ACP）活性、吞噬作用和呼吸爆發(fā)活性，處理組魚血清IgM水平顯著高于對照組，顯著提高嗜水氣單胞菌Aeromonas hydrophila 攻擊后的存活率。這些乳酸菌補充劑可以影響魚類的免疫應(yīng)答效果，如調(diào)節(jié)超氧化物歧化酶（SOD）和溶菌酶的表達、免疫球蛋白（IG）的分泌、補體的激活，以及改善呼吸爆發(fā)活性（RBA）、吞噬活性和細胞因子譜。Wang 等[23]向飼料中添加糞腸球菌Enterococcus faecalis，使尼羅羅非魚Oreochromis niloticus 補體組分的含量、過氧化物酶（MPO）活性和血液吞噬細胞的呼吸爆發(fā)活性提高。

1.3 促進魚類新陳代謝與生長

將乳酸菌添加到飼料后，乳酸菌迅速進入魚類的腸道定植、繁殖及代謝，產(chǎn)生維生素、氨基酸、營養(yǎng)物質(zhì)、促生長因子、生長激素等代謝產(chǎn)物，促進魚類的生長及增重[24,25]。乳酸菌還會有效提高多種消化酶活性。如Cuneyt 等[26]的報告顯示，商業(yè)乳桿菌屬可使金頭鯛Sparus aurata 的胰腺和腸道酶的比活顯著提高；魚存活率比對照組高出13%～105%，比增長率高2%～9%。Enferadi 等[27]發(fā)現(xiàn)：益生菌組與對照組虹鱒ncorhynchus mykiss 的腸道形態(tài)無明顯差異，植物乳桿菌添加量較低組中酸性蛋白酶活性較高，堿性蛋白酶活性和胰蛋白酶活性更高。乳桿菌也可最大程度地產(chǎn)淀粉酶[28]。高活性淀粉酶、堿性蛋白酶、胰蛋白酶更有利于水解腸道中多種蛋白質(zhì)，促進機體生長[29]。

1.4 凈化水質(zhì)，維持水環(huán)境穩(wěn)定

養(yǎng)殖密度較高的水產(chǎn)養(yǎng)殖水體沉積很多排泄物、餌料、動植物殘體等，水體滋生有害菌，產(chǎn)生有害物質(zhì)。乳酸菌自身代謝產(chǎn)生大量有機酸，如乙酸、乳酸、丙酸、丁酸等抑制養(yǎng)殖魚類病原體，降解水體中的氨氮、亞硝酸鹽、硫化氫等有害物質(zhì)[30]，乳酸菌使氨氮和亞硝酸鹽部分轉(zhuǎn)化為硝酸鹽，降低氨氮（NH3-N）和亞硝酸鹽氮（NO2-N）水平（濃度為105cfu·mL-1）[31]，去除水中的金屬離子與黃曲霉毒素B1，以達到凈化水質(zhì)，維持水環(huán)境穩(wěn)定的目的[32]。據(jù)報道，鼠李糖乳桿菌GG（ATCC 53103）和鼠李糖乳桿菌LC-705（DSM 7061）可以有效從溶液中去除黃曲霉毒素B1；溫度（4～37℃）和pH（2～10）的變化對黃曲霉毒素B1 的釋放量沒有明顯影響[33]。

2 乳酸菌促魚類生長機理研究進展

許多研究均已表明，膳食補充乳酸菌積極改變了魚類的胃腸道微生物群，使魚體的生長增強，脂質(zhì)代謝改善，免疫反應(yīng)增強，腸道的生理狀態(tài)更佳，飼料利用效率更高等[34]。這對水產(chǎn)養(yǎng)殖非常必要[35]。

2.1 改善營養(yǎng)吸收

補充乳酸菌的主要目的是通過改善營養(yǎng)吸收來提高魚類生長指數(shù)、健康狀況和對病原體的抵抗力。生長的提高可能是飲食營養(yǎng)同化作用的結(jié)果。微生物群落產(chǎn)生的代謝底物如維生素[36]或消化酶[37]的可用性增加。也有研究指出：乳酸菌在水產(chǎn)養(yǎng)殖生物中的主要作用方式和有益作用之一是補充消化酶，提高生長和飼料效率，抑制腸道疾病和改善腸道功能來增強宿主的營養(yǎng)[38]。它們在消化系統(tǒng)中產(chǎn)生不同的酶，如淀粉酶、脂肪酶、蛋白酶和堿性磷酸酶，或刺激宿主的消化系統(tǒng)產(chǎn)生這些酶[39]。乳酸菌還可增強腸道上皮的結(jié)構(gòu)，提供更大的吸收表面積改善營養(yǎng)吸收[40,41]。Yamashita 等[42]研究表明，向飼料中添加植物乳桿菌增加了尼羅羅非魚腸道中乳酸菌的含量，減少弧菌科的數(shù)量，顯著提高了增重率、比生長速率和飼料利用效率。牙鲆[43]Paralichthys olivaceus、露斯塔野鯪Labeo rohita[44]和虹鱒Oncorhynchus mykiss[45]等也有類似發(fā)現(xiàn)。

值得注意的是，乳酸菌對不同魚類的生長性能具有積極作用，還有一些報告卻表明，乳酸菌作為生長促進劑沒有明顯的變化，如地衣芽孢桿菌Bacillus licheniformis 和枯草芽孢桿菌對虹鱒[46]、斑點叉尾Ictalurus punctatus[47]和羅非魚[48]的生長速率沒有顯著促進作用。究其原因，可能是魚的種類、乳酸菌種類、乳酸菌的菌齡、添加劑量等條件使結(jié)果產(chǎn)生重大差異[49]。不同添加方式、劑量及施喂周期也影響乳酸菌菌株與宿主的相互作用[49]。因此，必須進一步優(yōu)化乳酸菌的添加方式、施喂劑量和施喂周期。

2.2 調(diào)節(jié)食欲內(nèi)分泌

迄今為止，關(guān)于益生菌對魚類食欲內(nèi)分泌調(diào)節(jié)的信息很少[50]。胃腸道是主要的內(nèi)分泌器官，它產(chǎn)生和釋放各種信使，以旁分泌或內(nèi)分泌的方式發(fā)揮作用，協(xié)調(diào)消化和調(diào)節(jié)代謝動態(tài)平衡。這些激素特別在饑餓、食物攝取、飽腹感和能量平衡中發(fā)揮作用[51,52]。在哺乳動物和硬骨魚類中，補充乳酸菌使胃腸道中相關(guān)的微生物發(fā)生變化，調(diào)節(jié)食欲控制相關(guān)基因的表達。神經(jīng)肽Y（NPY）被認為是魚類中最強的促食欲分子，作用于Y1 受體加速結(jié)腸的轉(zhuǎn)運，增強食欲[53]。它的表達受腸道微生物區(qū)系變化的影響[54]。魚類腸道的糖苷水解酶酶譜有限，但添加乳酸菌會使腸道微生物區(qū)系合成大量這些酶，將不可消化的碳水化合物發(fā)酵成短鏈脂肪酸[55]。這些短鏈脂肪酸通過GPR41 作用于表達酪酪肽（PYY）的L 細胞[56]，促進PYY 分泌并作用于Y2 受體，可以達到抑制結(jié)腸轉(zhuǎn)運的目的[57]，產(chǎn)生飽腹感，降低饑餓和能量攝入。另有研究報道，鼠李糖乳桿菌通過上調(diào)瘦素來降低斑馬魚的食欲[50]。瘦素通過上調(diào)厭食信號，如黑素皮質(zhì)素受體4（MC4R）和下調(diào)促食欲信號如神經(jīng)肽Y（NPY）和大麻素受體1（CB1）來減少食物攝入量[58,59]。敲除MC4R 直接促進脂質(zhì)攝取和甘油三酯合成，導(dǎo)致肥胖。CB1 也是一種食欲信號，負責攝食和體質(zhì)量增加[60]。CB1 受體刺激造脂轉(zhuǎn)錄因子SREBP-1C，增加斑馬魚的肝臟脂質(zhì)積累，并增加從頭合成的脂肪酸[61]。Falcinelli 等[62]也有類似報道，食物中鼠李糖乳桿菌使致癌基因的轉(zhuǎn)錄減少，致厭食基因的上調(diào)以及涉及膽固醇和甘油三酸酯（TAG）代謝基因的轉(zhuǎn)錄減少，膽固醇和甘油三酸酯的含量降低，同時還降低了HFD-P 中的NESFATIN-1 肽，減弱了以HFD-P 和MFD-P 喂養(yǎng)的斑馬魚體質(zhì)量增加。但有趣的是，Giorgia 等[63]研究報道，鼠李糖乳桿菌可以促進尼羅羅非魚增食信號，如神經(jīng)肽Y（NPY）和促生長激素釋放肽（GHRELIN）的上調(diào)和瘦素的減少，從而增強食欲。

2.3 刺激生長和發(fā)育基因

魚的增生和肥大性肌肉生長受幾種遺傳因素控制，例如生長激素（GH）、胰島素樣生長因子（IGFs）和肌生長抑制素（MSTN）[64]。這些激素發(fā)出的信號會影響肌肉纖維的合成代謝和分解代謝過程之間的平衡；當?shù)鞍踪|(zhì)合成勝過降解時，就會生長[65]。GH 誘導(dǎo)肌細胞增殖和肌肉增生及肥大來刺激魚的肌肉生長[66]。在肌肉中，IGF 直接刺激肌肉細胞增殖、分化和肥大，抑制肌肉萎縮。魚的生長與肌肉的生長呈正相關(guān)，主要受GH/IGF 系統(tǒng)調(diào)節(jié)[67,68]。Qin 等[69]研究也發(fā)現(xiàn)，干酪乳桿菌BL23 處理的斑馬魚中，生長調(diào)節(jié)基因igf1、igf2、igfbp2a、igfbp2b 和igfals 被上調(diào)。通過RT-qPCR 在干酪乳桿菌BL23 處理組中觀察到igf1 mRNA 擁有更高水平的轉(zhuǎn)錄。在飼料中補充鼠李糖乳桿菌，小丑魚Amphiprioninae的體質(zhì)量增加，涉及生長和發(fā)育的因子（IGFI 和IGFII、MSTN、過氧化物酶體增殖物激活的受體α和β、維生素D 受體α 和視黃酸受體γ）的基因表達顯著增加[70]。

3 乳酸菌在魚類養(yǎng)殖中的應(yīng)用

在高密度集約化養(yǎng)殖中，魚類極易感染病原體而死亡，大量使用抗生素造成菌株的耐藥性以及藥物殘留等問題，因此人們極力尋求能夠替代抗生素的產(chǎn)品。微生態(tài)制劑具有生態(tài)環(huán)保、成本低、適應(yīng)性廣等優(yōu)點，得到大力開發(fā)（表1）。由表1 可知，近年的研究主要集中在乳酸菌對魚類生長性能、存活率、魚腸道消化酶活性、抗病性和免疫活性等方面。

續(xù)表1

4 總結(jié)

腸道微生物區(qū)系在調(diào)節(jié)宿主代謝中起關(guān)鍵作用，影響宿主新陳代謝和食物攝入。添加乳酸菌改善腸道微生物區(qū)系，使代謝產(chǎn)物與宿主發(fā)生積極生理作用。本文介紹了乳酸菌添加對魚類生長中各方面的影響，有助于更好地理解乳酸菌對腸道微生物區(qū)系、代謝物產(chǎn)生以及與能量代謝和食欲的作用，深入揭示了乳酸菌促魚類生長的作用機理。