周鑫蔚,丁皓天,董秀金,徐一力,劉毅,吳冰,陳香凝,丁祝進(jìn),馬桂珍,程漢良,許建和,2
(1.江蘇海洋大學(xué)海洋科學(xué)與水產(chǎn)學(xué)院,江蘇 連云港 222005;2.江蘇海洋大學(xué),江蘇省海洋生物技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 連云港 222005)
玉米赤霉烯酮(zearalenone,ZON)是一種白色晶體,化學(xué)式為C18H22O5,常見于具有赤霉病的玉米和小麥等谷物中,是飼料原料中主要霉變污染物之一。ZON 具有強(qiáng)烈的雌激素作用,在動(dòng)物體內(nèi)會(huì)引起多種生殖系統(tǒng)相關(guān)疾病,如性欲下降、無(wú)排卵、不育和細(xì)胞質(zhì)損害等[1,2]。ZON 可通過與魚體細(xì)胞雌激素受體相結(jié)合的方式影響魚類神經(jīng)系統(tǒng)以及生殖器官[3]。攝食ZON 超標(biāo)水產(chǎn)品可導(dǎo)致人體乳腺中的癌細(xì)胞增加[4]。目前,我國(guó)規(guī)定飼料原料中ZON 的檢出量不得超過500 μg/kg。去除飼料原料中ZON的主要方法有物理、化學(xué)和生物降解等方法。其中生物降解法因安全高效無(wú)污染,是目前廣泛使用的脫毒方法。生物降解法通過微生物降解使用較多。Zhang 等[5]發(fā)現(xiàn),釀酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)降解ZON 的效率較高。Harkai 等[6]發(fā)現(xiàn)分離篩選的124 株鏈霉菌(Streptomyces)中有2 個(gè)菌株對(duì)ZON 毒素的去除率達(dá)100%。耿海榮等[7]篩選獲得1株高效降解ZON 毒素的枯草芽孢桿菌(B.subtilis),當(dāng)ZON 毒素濃度為2 μg/mL 和20 μg/mL 時(shí),其發(fā)酵液對(duì)毒素的去除率分別為93.79%和82.40%;無(wú)菌發(fā)酵液對(duì)ZON 毒素的去除率為62.02%。上述研究中功能菌也均為陸源性菌株,降解的ZON 也都為純品,而對(duì)受污染的飼料原料中的ZON 降解效果目前報(bào)道較少。
鯽(Carassius auratus)是我國(guó)傳統(tǒng)養(yǎng)殖魚類,2020 年淡水養(yǎng)殖產(chǎn)量為274.9 萬(wàn)t(2021 年中國(guó)漁業(yè)年鑒)。鯽養(yǎng)殖過程中需要投喂大量人工配合飼料,而在飼料原料和成品儲(chǔ)存中ZON 是主要霉變毒素之一。飼料中ZON 對(duì)生物體的毒害作用也僅見于陸生動(dòng)物[8],在水產(chǎn)動(dòng)物中報(bào)道較少。
芽孢桿菌BMF03 是本實(shí)驗(yàn)室從養(yǎng)殖水體分離的一種甲基營(yíng)養(yǎng)型芽孢桿菌,對(duì)液體培養(yǎng)基中的ZON 有很強(qiáng)的降解作用[9],但其對(duì)鯽飼料中ZON 是否具有同樣的降解功能,且添加到飼料后投喂鯽是否存在安全風(fēng)險(xiǎn),目前均不清楚。本研究通過給鯽投喂四種不同類型飼料:基礎(chǔ)飼料(對(duì)照)、基礎(chǔ)飼料+芽孢桿菌BMF03(1×1010CFU/kg,BMF03 組)、基礎(chǔ)飼料+玉米赤霉烯酮(1 000 μg/kg,ZON 組)和基礎(chǔ)飼料+玉米赤霉烯酮+芽孢桿菌BMF03(ZON03 組),測(cè)定各組飼料和魚體肌肉中玉米赤霉烯酮的含量及實(shí)驗(yàn)魚的生長(zhǎng)性能、生化指標(biāo)、腸道和肝胰臟健康狀況等,綜合評(píng)價(jià)芽孢桿菌BMF03對(duì)攝食ZON 污染飼料鯽的保護(hù)效應(yīng)及其作為漁用飼料添加劑的可行性。
共配制4 組等氮飼料,基礎(chǔ)飼料為對(duì)照(配方見表1);在基礎(chǔ)飼料中分別添加芽孢桿菌BMF03(BMF03)、玉米赤霉烯酮(ZON)以及玉米赤霉烯酮+BMF03 菌株(ZON03)。依本實(shí)驗(yàn)室前期研究結(jié)果和魚體對(duì)飼料中ZON 的安全耐受劑量[9,10],確定飼料中ZON(購(gòu)買自上海士鋒生物有限公司)添加量為1 000 μg/kg;BMF03 菌株為發(fā)酵上清離心后的產(chǎn)物,溶于水加入飼料中,添加量為1×1010CFU/kg,由江蘇海洋大學(xué)抗菌微生物及其代謝產(chǎn)物研究與應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室提供。各組飼料原料粉碎過60 目篩,用小型混合機(jī)(ASY-3D,科勒器械有限公司)攪拌10 min,加水后繼續(xù)揉拌15 min,然后利用便攜式絞肉機(jī)(TK-12,豐瑞吉食品機(jī)械有限公司)制成直徑為0.4 mm 左右的顆粒飼料,放入干燥箱,35 ℃烘干至水分為10%左右,裝入密封袋,置于4 ℃冰箱冷藏保存。
表1 基礎(chǔ)飼料組成及營(yíng)養(yǎng)組成(干物質(zhì)%)Tab.1 Ingredients and nutritional composition in basic diet (dry matter basis %)
實(shí)驗(yàn)用鯽初始體質(zhì)量為(20.13±0.12)g,購(gòu)買自連云港市博旺特種水產(chǎn)養(yǎng)殖有限公司。養(yǎng)殖實(shí)驗(yàn)在江蘇海洋大學(xué)水產(chǎn)養(yǎng)殖實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的養(yǎng)殖系統(tǒng)(大連匯新)進(jìn)行。正式實(shí)驗(yàn)開始前用對(duì)照組飼料暫養(yǎng)1周,馴化鯽上浮搶食。分組前停食24 h,隨后選取480 尾規(guī)格均勻的健康鯽,隨機(jī)分成4 組,每組3 個(gè)重復(fù),每個(gè)重復(fù)40 尾魚。每天投喂四次(8:30、11:30、14:30 和17:30),日投喂量為體質(zhì)量的4%,每周根據(jù)體質(zhì)量增長(zhǎng)情況調(diào)整一次,養(yǎng)殖周期為8 周。實(shí)驗(yàn)期間每天處理殘餌,換水一次,換水量約25%,養(yǎng)殖水溫23 ℃~26 ℃,水體pH7.0~7.5,氨氮含量小于0.2 mg/L,溶氧量大于5 mg/L,自然光照,每日記錄采食量。
養(yǎng)殖實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí),將實(shí)驗(yàn)魚饑餓24 h 后計(jì)數(shù)、稱重,用于測(cè)定增重率等生長(zhǎng)指標(biāo)。每組隨機(jī)取9尾魚用濃度為50 mg/L 的MS-222 進(jìn)行麻醉,其中3尾魚用于測(cè)定體長(zhǎng)和體質(zhì)量,然后用2 800 U/mL 肝素鈉溶液濕潤(rùn)處理過的一次性2 mL 針頭注射器在尾靜脈處采血,在4 ℃下3 000 r/min 離心10 min 后收集上清液于2 mL 離心管中,-20 ℃冰箱保存,用于測(cè)定生化指標(biāo)。取血后解剖魚體,取出內(nèi)臟并稱重,用于計(jì)算臟體比。另外3 尾取側(cè)線和背鰭間肌肉,置于密封袋中,-80 ℃冰箱保存,用于測(cè)定肌肉中常規(guī)營(yíng)養(yǎng)組成;剩余3 尾魚解剖后,取肝胰臟和1 cm 左右中腸,放入4%多聚甲醛中固定,用于組織形態(tài)的觀察。
將飼料和肌肉樣品在60℃下烘干至恒重,磨碎后用甲醇水溶液提取,用免疫親和柱(月旭科技,中國(guó))提取液,洗脫和凈化,置于高效液相色譜儀(Agilent-1260,美國(guó))分析。色譜條件∶流動(dòng)相為甲醇水溶液(8∶2),紫外檢測(cè)波長(zhǎng)為236 nm,柱溫25℃,進(jìn)樣量為20 μL,流速為1 mL/min。
實(shí)驗(yàn)中測(cè)定生長(zhǎng)性能參數(shù)如下:
式中,m1、m2分別為鯽的初始體質(zhì)量和終末體質(zhì)量(g);m3為飼料攝入量(g);m4、m5分別為實(shí)驗(yàn)開始和結(jié)束時(shí)鯽的數(shù)量(尾);m6為內(nèi)臟重(g);t 為養(yǎng)殖時(shí)間(d);P 為粗蛋白含量(%);L 為體長(zhǎng)(cm)。
稱取干重樣品1 g(精確至0.000 1 g)置于消化管中,加入硫酸鉀4.5 g、硫酸銅0.5 g 和硫酸10 mL,420 ℃消化1.5 h,冷卻15 min 后上機(jī),利用全自動(dòng)凱氏定氮儀(KjeltecTM-8400)測(cè)定粗蛋白含量;
稱取干重樣品1 g(精確至0.000 1 g)置于濾紙筒中,塞入脫脂棉,在恒重完的鋁杯中加入80 mL石油醚,利用索式抽提儀(SoxtecTM8000)測(cè)定粗脂肪含量;采用550 ℃灼燒稱量法(GB5009.4-2016)測(cè)定粗灰分含量。
血清中超氧化物歧化酶、堿性磷酸酶、酸性磷酸酶、過氧化氫酶、溶菌酶活性和總蛋白含量用南京建成生物試劑盒測(cè)定。
將4%多聚甲醛固定好的鯽中腸和肝胰臟樣品送至Servicebio 有限公司(武漢)制作石蠟切片并進(jìn)行H&E 染色。使用CaseViewer2.2(3DHISTECH)瀏覽數(shù)字切片,對(duì)切片中病理改變進(jìn)行文字描述,用箭頭標(biāo)識(shí)說(shuō)明切片之間差異。
實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)用SPSS 23 軟件經(jīng)單因素方差分析(One-way ANOVA)后以平均值±標(biāo)準(zhǔn)偏差(mean±SD)表示。用Student t-test 和Duncan 進(jìn)行顯著性檢驗(yàn),P<0.05 表示差異顯著。
實(shí)驗(yàn)前后各組飼料中玉米赤霉烯酮的含量見表2。由表2 可知,實(shí)驗(yàn)開始時(shí)ZON 和ZON03 組飼料中ZON 含量顯著高于對(duì)照組和BMF03 組,8 周后ZON 組飼料中ZON 含量未見明顯下降,但ZON03組飼料中ZON 水平顯著低于ZON 組(P<0.05)。
表2 8 周后飼料中ZON 含量變化/(μg·kg-1)Tab.2 Concentrations of ZON in diets after eight weeks/(μg·kg-1)
實(shí)驗(yàn)前后魚體肌肉中玉米赤霉烯酮含量見表3。由表3 可知,實(shí)驗(yàn)開始時(shí)魚體肌肉中未檢出ZON,8 周后對(duì)照組和BMF03 組魚體肌肉中檢測(cè)出少量ZON,但含量顯著低于ZON 和ZON03 組(P<0.05)。ZON03 組魚體肌肉中ZON 含量顯著低于ZON 組(P<0.05)。
表3 8 周后肌肉中ZON 含量變化/(μg·kg-1)Tab.3 Concentrations of ZON in muscles after eight weeks/(μg·kg-1)
投喂不同飼料對(duì)鯽生長(zhǎng)性能的影響見表4。養(yǎng)殖實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí),各實(shí)驗(yàn)組之間蛋白質(zhì)效率、飼料系數(shù)、特定生長(zhǎng)率及肥滿度和存活率無(wú)顯著差異(P>0.05)。但ZON 組鯽終末體質(zhì)量和增重率均顯著高于對(duì)照組和BMF03 組(P<0.05),但與ZON03 組無(wú)顯著差異(P>0.05)。
表4 投喂不同飼料后對(duì)鯽生長(zhǎng)性能的影響Tab.4 Effects of different diets on the growth performance of crucian carp
投喂不同飼料對(duì)鯽肌肉常規(guī)營(yíng)養(yǎng)組分影響見表5。BMF03 組魚體肌肉粗蛋白含量顯著高于其他三組(P<0.05)。ZON 和ZON03 組魚體粗脂肪和粗灰分含量與對(duì)照組相比均顯著升高(P<0.05),但兩組之間無(wú)顯著差異(P>0.05)。各組魚體肌肉中水分含量無(wú)明顯差異(P>0.05)。
表5 投喂不同飼料后對(duì)鯽肌肉常規(guī)營(yíng)養(yǎng)組分的影響(濕物質(zhì)%)Tab.5 Approximate nutritional composition in muscle of crucian carps fed different diets(wet matter basis %)
投喂不同飼料對(duì)鯽血清生化指標(biāo)的影響見表6。BMF03 和ZON03 組魚體血清CAT 活性與對(duì)照組相比無(wú)顯著差異,但顯著高于ZON 組。ZON 組魚體血清SOD 和AKP 活性明顯低于其他組(P<0.05),各實(shí)驗(yàn)組中LZM活性均顯著高于對(duì)照組(P<0.05),但添加毒素組LZM 活性低于BMF03 組(P<0.05)。各組間魚體血清ACP 活性和TP 含量差異不顯著(P>0.05)。
表6 投喂不同飼料對(duì)鯽血清生化指標(biāo)的影響Tab.6 The serum biochemical indicators of crucian carps fed different diets
投喂不同飼料對(duì)鯽中腸組織結(jié)構(gòu)的影響見圖1。圖1 中可見,對(duì)照組、BMF03 組和ZON03 組中腸組織皺襞結(jié)構(gòu)完整,可見少量杯狀細(xì)胞,少量黏膜上皮細(xì)胞點(diǎn)狀壞死(黑色箭頭)。ZON 組中組織局部黏膜下層輕度水腫(黑色箭頭),結(jié)構(gòu)疏松,黏膜與黏膜下層輕度脫落(藍(lán)色箭頭);較多黏膜上皮細(xì)胞壞死(綠色箭頭)。
圖1 攝食不同飼料鯽中腸的組織結(jié)構(gòu)Fig.1 The intestinal tissue structures of crucian carp fed different diets
投喂不同飼料對(duì)鯽肝胰臟組織結(jié)構(gòu)的影響見圖2。由圖2 可見,對(duì)照組和BMF03 組肝細(xì)胞空泡變性程度較小(黑色箭頭),胰腺腺泡細(xì)胞排列緊密,未見明顯炎性細(xì)胞浸潤(rùn);ZON 組中,肝細(xì)胞重度空泡變性(黑色箭頭),局部可見少量大泡,周圍可見輕微出血(藍(lán)色箭頭),多處胰腺腺泡周圍少量巨噬細(xì)胞浸潤(rùn)(黃色箭頭);ZON03 組中,肝細(xì)胞中度空泡變性(黑色箭頭),多處胰腺腺泡周圍少量出血(黃色箭頭)。
圖2 攝食不同飼料鯽肝胰臟的組織結(jié)構(gòu)Fig.2 The hepatopancreatic structure of crucian carp fed different diets
本研究中ZON 組飼料中添加芽孢桿菌BMF03 8 周后,飼料中ZON 濃度顯著降低,表明芽孢桿菌BMF03 在體外對(duì)ZON 具有一定的去除效果。已有的研究表明,除芽孢桿菌對(duì)ZON 有降解作用外,其他多種微生物對(duì)ZON 也有降解作用。Keller 等[11]從飼料中分離出的釀酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)菌株能消除培養(yǎng)基中90%以上的ZON 毒素;采用戊糖乳桿菌(Lactobacillus pentosus)JM0812 菌株能夠吸附乙酸鈉緩沖溶液中83.17%的ZON[12];乳酸菌(Lactobacillus)發(fā)酵液可以降解麥芽中23%的ZON[13];從發(fā)霉玉米中分離出的乳酸桿菌(Lactobacillus beijerinck)和明串珠菌(Leucanostoc)可以將ZON 生物轉(zhuǎn)化為α-ZAL[14]。微生物對(duì)ZON 毒素降解主要通過細(xì)胞壁的吸附、胞內(nèi)活性物質(zhì)和胞外蛋白等途徑。彭云等[9]報(bào)道,甲基營(yíng)養(yǎng)型芽孢桿菌對(duì)ZON 毒素降解主要通過細(xì)胞壁的吸附、胞內(nèi)活性物質(zhì)和胞外蛋白的共同作用,pH、溫度等因素對(duì)菌株去除ZON 毒素有明顯影響,pH 為7 時(shí)菌株對(duì)ZON毒素去除作用最強(qiáng),溫度低于23 ℃或高于28 ℃毒素去除作用下降。本研究中芽孢桿菌BMF03 對(duì)飼料中ZON 降解效率遠(yuǎn)低于對(duì)液體或固體培養(yǎng)基中ZON 的降解效果,去除率不足20%。而彭云等[9]報(bào)道當(dāng)培養(yǎng)液中ZON 濃度為15 μg/mL 時(shí),BMF04 菌株48 h 對(duì)其去除率達(dá)99%。推測(cè)原因可能與BMF03 也屬于甲基營(yíng)養(yǎng)型芽孢桿菌,其發(fā)揮功能也需要滿足一定溫度和介質(zhì)條件,本研究中飼料配制后一直貯存于4 ℃,遠(yuǎn)低于甲基營(yíng)養(yǎng)型芽孢桿菌對(duì)ZON 毒素降解所需適宜溫度,同時(shí)飼料中較低水分含量也影響了BMF03 對(duì)ZON 的降解效果。
ZON 對(duì)魚體組織損傷作用在較多文獻(xiàn)中已有報(bào)道。Wang等[15]發(fā)現(xiàn),飼料中ZON的劑量大于1 041 μg/kg 會(huì)引起草魚腸道內(nèi)組織的氧化損傷和細(xì)胞凋亡。Wony等[16]發(fā)現(xiàn),ZON會(huì)造成虹鱒(Oncorhynchus mykiss)肝臟組織損害(包括細(xì)胞質(zhì)空泡化和巨噬細(xì)胞聚集)。本研究中也發(fā)現(xiàn)鯽攝食含ZON 飼料后腸道組織表現(xiàn)出明顯的病理癥狀,如黏膜層水腫,較多上皮細(xì)胞壞死以及杯狀細(xì)胞消失等,肝細(xì)胞也出現(xiàn)重度空泡變性,與在其他魚類中結(jié)果相似。而攝食添加BMF03 菌株飼料后實(shí)驗(yàn)魚腸道和肝臟組織結(jié)構(gòu)完整,表明飼料中添加BMF03 可降低ZON 對(duì)魚體的損傷作用,緩解ZON 在魚體內(nèi)的毒害作用。王悅等在小鼠中也發(fā)現(xiàn)降解ZON 菌株在體內(nèi)可明顯降低ZON 毒性,保護(hù)肝臟[17]。CAT 和SOD 是機(jī)體抗氧化酶系統(tǒng)重要成員,可防止活性氧損害,維持自由基產(chǎn)生和清除之間的平衡[18]。SOD 可清除機(jī)體內(nèi)的活性氧自由基,將其轉(zhuǎn)化為H2O2,再通過CAT進(jìn)一步還原生成H2O 和O2。本研究中添加BMF03菌株飼料組魚體血清SOD、CAT 酶活力均明顯高于ZON 組,表明BMF03 可提高魚體抗氧化能力,維持其抗氧化系統(tǒng)的平衡,保護(hù)魚體組織免受ZON 的氧化損傷。飼料中添加芽孢桿菌可提升水產(chǎn)動(dòng)物抗氧化能力在魚類和甲殼類中均有報(bào)道。黃坤鵬等[19]研究也發(fā)現(xiàn),芽孢桿菌可顯著提高斜帶石斑魚(Epinephelus coioides)仔魚體內(nèi)的SOD活力。袁衛(wèi)[20]研究表明,飼料中添加芽孢桿菌能提高凡納濱對(duì)蝦(Litopenaeus vannamei)體內(nèi)抗氧化活性指標(biāo)。但目前芽孢桿菌對(duì)水產(chǎn)動(dòng)物抗氧化系統(tǒng)的具體益生機(jī)制仍待進(jìn)一步研究。溶菌酶(LZM)是魚類先天免疫的重要指標(biāo)之一,是魚類血清中重要的殺菌劑[21]。堿性磷酸酶(AKP)是魚類免疫系統(tǒng)中非常重要的水解酶,在保護(hù)機(jī)體防御病原體入侵,參與細(xì)胞中生物大分子的消化,維持細(xì)胞正常代謝活動(dòng)有重要功能[22]。蔡紅丹等[23]報(bào)道,飼料中添加復(fù)合芽孢桿菌可顯著提高石斑魚血清中溶菌酶和AKP 活力。本研究亦發(fā)現(xiàn)BMF03 組魚體血清中LZM 和AKP 活力均明顯高于ZON 組,表明添加芽孢桿菌BMF03 能夠提高鯽免疫能力,緩解ZON 毒素對(duì)魚體免疫造成的負(fù)面影響。
本實(shí)驗(yàn)中,鯽攝食添加ZON 的飼料時(shí),終末體質(zhì)量和增重率都顯著增加。Wony 等[24]也發(fā)現(xiàn)在飼料中添加2 mg/kg 的ZON 投喂虹鱒,其終末體質(zhì)量、生長(zhǎng)速度和飼料利用率顯著提高。這一結(jié)果可能與ZON 在動(dòng)物體內(nèi)產(chǎn)生的代謝物生理功能有關(guān)。ZON 在動(dòng)物體內(nèi)會(huì)分解成兩種植物雌激素α-ZAL和β-ZAL,其中α-ZAL 可通過刺激垂體產(chǎn)生內(nèi)生生長(zhǎng)激素來(lái)促進(jìn)骨骼和肌肉的生長(zhǎng),從而在短時(shí)間內(nèi)表現(xiàn)出對(duì)魚體生長(zhǎng)具有一定的促進(jìn)作用[25,26]。本實(shí)驗(yàn)中,魚體攝食添加BMF03 飼料后促進(jìn)了肌肉中蛋白質(zhì)積累。周曉波等[27]也發(fā)現(xiàn)羅非魚攝食添加乳酸菌(Lactobacillus)、戊糖乳桿菌(Lactobacillus pentosus)和鼠李糖乳桿菌(Lactobacillus rhamnosus)飼料后,魚體肌肉中粗蛋白含量明顯上升。黃靈等[28]報(bào)道,虎龍斑(Epinephelus fuscoguttatus♀×E.lanceolatus♂)攝食添加光合細(xì)菌和芽孢桿菌飼料后能夠提高肌肉中粗蛋白的含量。但本研究中添加BMF03菌株未顯著改善魚體的終末體質(zhì)量、增重率以及特定生長(zhǎng)率,這與在羅非魚[29]和凡納濱對(duì)蝦[30]中研究結(jié)果相似。這些不同的研究結(jié)果可能由于益生菌種類和劑量以及物種的特異性所導(dǎo)致,溫度、水質(zhì)等環(huán)境因素也會(huì)影響益生菌對(duì)養(yǎng)殖對(duì)象的作用效果[ 31 ]。
本實(shí)驗(yàn)中,飼料中添加玉米赤霉烯酮短期內(nèi)可促進(jìn)鯽生長(zhǎng)發(fā)育,但免疫參數(shù)測(cè)定和組織切片觀察結(jié)果表明,玉米赤霉烯酮對(duì)魚體的毒害作用明顯;BMF03 菌株可在一定程度上降解鯽飼料中玉米赤霉烯酮毒素。攝食添加BMF03 菌株的玉米赤霉烯酮污染飼料可緩解玉米赤霉烯酮在鯽體內(nèi)的毒害作用,且不影響魚體生長(zhǎng)性能,表明BMF03 菌株對(duì)攝食玉米赤霉烯酮污染飼料的鯽具有保護(hù)作用。