益生菌在水产养殖中的应用

益生菌在水产养殖中的应用

现在，水生养殖已经成为世界上最迅速的食物供应领域。自20世纪70年代以来，其年平均增长率为8.9%，同时，渔业和畜牧业的年平均增长率仅为2.8%和1.2%。世界上40%的水产品来自水产养殖领域,价值千亿美金。水产养殖中疾病的感染和传播是目前限制产业发展的一个主要因素,比如由病原菌(弧菌、气单胞菌等)引发的疾病具有很高的致死率,造成巨大的经济损失。为预防和控制鱼类疾病,养殖户大量使用抗生素药物,致使抗生素对养殖业以至人类的危害日益凸现,如致病菌产生药物耐药性、水产品药物残留等成为医药和食用安全的重要社会问题。虽然抗生素可治疗疾病,但同时亦能破坏或降低动物的免疫功能,使致病菌产生耐药性,致使动物再次感染后,需要更多的抗生素,从而陷入一种恶性循环。益生菌作为抗生素的替代品,被广泛的应用于畜牧养殖、水产养殖、医药等领域,取得了良好的效果。益生菌在动物的胃肠内具有强大的益生功能,能够抑制有害菌的生长,促进免疫系统的发育,提供营养成分,强化肠道粘膜屏障等。益生菌是促进人类健康的“多功能食品”,在畜牧业、渔业领域亦是预防和治疗疾病、促进动物生产性能的“多功能饲料添加剂”。近几年,益生菌被广泛用于促进水生动物的生产性能及预防和治疗疾病,已成为水产养殖业的研究和应用焦点。益生菌的推广应用解决了抗生素及其它药物的滥用带来的问题,并通过提高水生动物的生产性能和控制疾病等途径显著提高了水产品的产量。本文从益生菌的作用机理、对仔鱼的益生作用、选择与应用要点、安全性和在海水养殖领域的研究和应用进展等5个方面作了综述,以期为益生菌在水产养殖生产中的应用提供全面的理论知识和应用信息。1益生机1.1肠道微生物指标为了全面的理解益生菌的潜在益生特性,可将消化道作为一个相对独立的生态系统。水生动物的消化道是一个开放的系统,时刻与外界环境进行物质交换。相对于水生环境,消化道内拥有丰富的营养物质,所以更容易滋生细菌。益生菌在预防和控制水生动物传染性疾病方面担当着重要角色。益生菌通过在肠道粘膜上粘附、定植、繁殖,与致病菌竞争粘附位点和营养物质,从而达到抑制致病菌的效果。大多益生菌可产生酸性物质,这些物质可以抑制致病菌的生长,使其不能成为消化道内的优势菌落。现在益生菌主要用于抑制有害菌,优化菌群结构,使消化道内的微生态动态平衡,利于水生动物的健康。1.2在饲料中的应用消化道内的益生菌可产生很多活性物质和营养成分,如酶类、氨基酸和维生素等,这些物质可作为饲料的补充,满足动物的营养需要。BAIRAGI等从鱼的肠道内提取、培养了9种不同的细菌,发现这些细菌可产生多种消化酶类,这些消化酶可以促进饲料的消化和利用。1.3益生菌的免疫作用益生菌具有调控寄主免疫系统的功能,这是益生菌最重要的益生特性。早期的研究主要集中在提高鱼的生产性能及控制疾病方面,现在则转移到探究益生菌的免疫调节能力。体外试验及活体动物试验,皆发现益生菌具有免疫调控功能(包括全身免疫和局部免疫),避免发生严重的炎症反应。益生菌可作用于鱼体肠道的单核细胞、吞噬细胞、粒细胞、NK细胞,强化鱼体免疫系统的功能。饲喂益生菌可提高鱼的红细胞、粒细胞、巨噬细胞、淋巴细胞、T细胞以及免疫球蛋白的数量,从而增强免疫能力,提高鱼体免疫耐受力。益生菌还能够提高鱼的肠道粘膜溶菌酶、噬菌细胞以及白细胞的活力。此外,益生菌能够促进鱼体免疫器官的生长发育。所以益生菌可作为免疫激活剂投入使用。1.4益生菌的增强益生菌有抗病毒的作用。在医疗方面,益生菌能够治疗人的病毒性感冒、轮状病毒腹泻甚至艾滋病及其并发病等;在水产养殖方面,益生菌能够增强鱼体对抗彩虹病毒的能力。益生菌对抗病毒的机制尚不明确,根据现有的报道有两种可能的机制:第一,通过特异和非特异机制干扰病毒周期;第二,通过结合肠道细胞表面的病毒受体抑制病毒的粘附。目前在水产养殖领域,有关益生菌治疗病毒感染的报道较少,但是随着养殖技术的进步以及益生菌的开发利用,益生菌必定会在防治水生动物病毒感染方面担当重要的角色。1.5益生菌的提取益生菌在水产业的应用价值要高于陆生动物,因为在水产养殖领域,益生菌除了能够促进营养物质的消化、吸收以及控制疾病外,还可作为改良水质的添加剂。益生菌可分解水中的有机物质,减少氮、磷含量,调节氨、亚硝酸盐以及硫化氢在水中的含量。DALMIN等发现益生菌可通过优化水质、减少水生环境的致病菌,提高水生动物的成活率和生产性能。2益生菌的作用孵化期的海洋卵黄囊仔鱼的肠道是直的,肠道内部呈无菌状态,肠道上皮纤毛细胞开始成形。在这个时期,鱼的嘴部一般是不能张开的,比如金赤鲷(Sparusaurata)、塞内加尔鳎(Soleasenegalensis)、舌齿鲈(Dicentrarchuslabrax)等。在鱼类的嘴张开后,肠道成了与外部环境联系的最重要的场所,是致病菌侵入的主要途径。在这个时期,仔鱼的免疫系统尚未发育完全,只能依靠先天性免疫系统进行有限的调节。但是益生菌可进入肠道,形成第一道对抗有害菌入侵的屏障。益生菌可通过竞争营养成分、粘附位点以及改善仔鱼的免疫耐受力等为寄主提供有效的保护。很多特定的微生物种系比如乳酸菌可通过产生代谢物质(如乳酸、过氧化氢、二氧化碳、抗菌肽/蛋白、有机酸、氨气、二乙酰等)抑制致病菌。不仅如此,益生菌和鱼类寄主可通过协同作用,促使形成健康而稳定的微生物群系,并合力维持这个微生物群系的动态平衡,使这个群系能够发挥出强大的益生作用。在仔鱼早期,肠道内的益生菌可诱导免疫系统的发育,激活寄主的免疫活力,提高仔鱼对微生物的免疫耐受力。早期形成的稳定的微生物群系,对仔鱼肠道的组织分化和发育、防治肠道疾病等方面具有十分重要的意义。3选择和应用程序关键3.1细菌特性与肠道相互影响具备益生特性的细菌可用于制备新型、有效、安全的微生态制剂,但是这些细菌必须具备某些特性,这些特性包括:对寄主没有任何危害;易被寄主“接纳”,通过动物采食进入肠道内,与寄主建立“互利共生”的关系;能够到达肠道特定的位点,并发挥有效的益生作用;不具有抗毒基因。3.2益生菌的源地益生菌的选择是非常重要的,因为不合适的“益生菌”会在动物的肠道内对寄主造成意想不到的损害。作为益生菌,不管源于何地,都必须在动物的肠道内定植,这是首要条件。现在大部分用于水产养殖中的益生菌,最初是用于陆生动物养殖的。许多商用的益生菌在水产养殖方面的益生效果较差,可能是由于这些益生菌不是源于水生动物或者不适应水生动物的肠道,在肠道内不能维持菌群的规模所致。从成熟的水生动物的肠道内分离培养的益生菌,用于未成熟的水生动物,益生效果却极其显著。这是由于益生菌在其“源地”,可以更好的对抗致病菌,进入动物肠道后可以迅速的成为优势菌群,并长期定居肠道。CARNEVALI等发现从金赤鲷肠道内提取的乳酸菌可以提高鱼苗的成活率。另外寄主肠道细胞不会因为这些“土著细菌”的入住,而发生不良反应。3.3肠道致病菌的防治生态因子对于微生物的生长是非常重要的,能够影响水生动物肠道的菌群结构和饲料的利用率。水的品质、硬度、溶解氧、温度、pH、渗透压以及机械性摩擦等皆会影响益生菌在水生动物肠道内的定植、繁殖。另外,鱼类致病菌,如嗜水气单胞菌(Aeromonashydrophila)、迟缓爱德华菌(Edwardsiellatarda)、副溶血弧菌(Vibrioparahaemolyticus)等皆对生长条件、水生环境有特殊要求。所以合理设计饲料配方、有效地控制内在生态因子(pH、水的活性、氧化还原能力、亚硝酸盐的浓度)和外在生态因子(温度、湿度),有助于益生菌发展成肠道的优势菌群,减少致病菌的感染。所以微生态制剂的合理运用对于水生动物的生长发育、疾病控制以及水质的改善等等都有重要的意义。3.4复合菌的制备及其功能益生菌饲料添加剂有单一菌和复合菌。复合菌的益生效果一般要优于单一菌。因为复合菌是多种细菌的有机结合,可通过协同合作发挥出更强的益生作用。在水产养殖领域,应用最多的益生菌是乳酸菌、枯草杆菌、双歧杆菌。这些益生菌的益生机理存在差异,分别具有不同的益生特性。益生菌的功能差异,与菌体成分的结构特点及生物活性有关。选择具有不同特性的益生菌制备复合菌,可以发挥这些益生菌的协同作用,具有更好的益生效果。SALINAS等发现,复合菌(枯草杆菌和德式乳杆菌)可增加金赤鲷的肠道粘膜的免疫球蛋白M细胞和AG细胞的数量,但是单独使用这两种菌却没有这种效果。但是复合菌并不是几种细菌的随意组合。这些益生菌的益生作用必须存在互补,而且最好没有相同的粘附位点。益生菌的来源以及这些益生菌的亲缘关系,皆影响到复合菌的使用效果。Choi等发现使用同属于弧菌科的复合菌(Pdp和51M6),与单独使用这两种益生菌的效果相同;但是使用属于不同家族的复合菌(乳酸菌和枯草杆菌),却能够发挥出单一菌无法发挥出的益生效果。3.5灭活菌能够调节金现在的益生菌一般都是活菌制剂,需要生活在肠道而发挥作用。但是许多益生菌被灭活后仍具有与活菌相似的益生功能。这些灭活后的细菌不仅能够粘附到动物的肠道细胞上,而且能够调节寄主的免疫反应。体内和体外试验皆发现,灭活菌能够调节鱼的免疫反应,强化免疫功能,预防各种疾病。灭活菌主要是因为其菌体成分(脂磷壁酸、肽聚糖、荚膜多糖等)在起作用。这些菌体成分可刺激肠道粘膜上皮细胞,强化寄主的免疫功能。PANIGRAHI等则发现活菌具有比灭活菌更强的益生功能。但也有专家提出,现在使用的许多益生菌并没有被全面的认识,存有一定的安全隐患,所以推荐使用灭活菌,以避免出现安全问题。3.6益生菌的免疫调控能力益生菌的饲喂量对养殖效果是至关重要的。合理的添加量不仅能促使益生菌在短时间内定植于肠道,而且会使益生菌发挥出应有的益生作用。体内、体外试验皆发现,益生菌的免疫调控能力随着添加量的改变而改变。益生菌的添加水平是根据益生菌改善生产性能和防治病害的最佳效果而选择的。在水产养殖领域,益生菌的添加量一般在106~109cfu·g-1,过高或过低均会影响益生菌的益生效果。但是具体的添加水平,需要对具体的鱼和益生菌进行试验研究确定。3.7持续时间对饲养的影响益生菌的饲喂持续时间是影响益生菌在肠道发挥益生作用的又一重要因素。在水产养殖中,益生菌合理的饲喂持续时间一般在1~10周左右。饲喂的最佳持续时间与饲养的鱼种、选择的益生菌有关。养殖相同的水生动物,不同的益生菌需要饲喂的持续时间不同;使用相同的益生菌,不同的水生动物亦需要不同的饲喂持续时间。饲喂益生菌的时间过长或过短都是不科学的。饲喂时间过长,会造成不必要的浪费;而饲喂时间过短,会导致益生菌在鱼的肠道内的数量过少,而使益生菌不能发挥出有效的作用。当前益生菌的使用时间普遍偏长,所以需要对益生菌进行详细的研究,找出需要的最短饲喂持续时间,以减少成本。3.8益生菌生物胶囊益生菌属于饲料添加剂,但是在水产养殖领域,国外的学者亦将益生菌称为“水添加剂”。许多益生菌可作为优化水质的“水添加剂”。益生菌的使用方式有多种,比如浸入水中、悬浮于水上以及直接饲喂。直接饲喂益生菌可使益生菌有效的定居在鱼的肠道中,所以能够更好的发挥其益生作用,而ZHOU等直接将益生菌添加到水中,发现可改善金赤鲷的生产性能和免疫功能。制备的益生菌生物胶囊,可以悬浮于水上,对提高鱼苗的成活率有良好的效果。PICCHIETTI等发现将轮虫和卤虫作为载体,能够有效的帮助益生菌进入水生动物的肠道内定植、繁殖。4平基因转移从病原获得许多专家对益生菌的安全性提出质疑,他们认为现在使用的益生菌可能拥有编码致病性、抗抗生素的基因,这些基因可通过水平基因转移从病原体获得。虽然现在没有这方面的报道,但是不能排除这种可能性。所以为排除益生菌的这种安全隐患,需要运用现代分子技术手段进行检测、分析。另外,乳酸菌是现在最常用的一类益生菌,已被广泛的应用于水产养殖领域,但是并不是所有的乳酸菌都是益生菌,研究发现许多病害的发生与乳酸乳球菌有关,所以益生菌的安全性需要被作为首要的鉴定指标。5关于海洋鱼类育种的研究和应用5.1枯草杆菌因子ba碳构各物石斑鱼是一类名贵的海水养殖品种,肉质鲜美、营养丰富,市场价值极高。由于石斑鱼易受致病菌感染,所以死亡率较高。益生菌被应用于石斑鱼的海水养殖,效果极其显著。SON等发现,乳酸菌(Lactobacillusplantarum)不仅提高点带石斑鱼(Epinepheluscoioides)的生产性能,还能够强化免疫系统,增强对致病菌(链球菌)、病毒(彩虹病毒)的耐受能力。枯草杆菌(BacillussubtilisE20)亦有相同的益生作用,可以提高斜带石斑鱼的增重和饲料转化率,并且随着添加剂量的增多,效果更加明显;枯草杆菌能够提高吞噬细胞的活力、呼吸爆发活性、头肾白细胞超氧化物歧化酶的活力、血清溶菌酶的活力、血清补体活性(ACH50)等,从而提高免疫功能,增强对致病菌(链球菌)、病毒(彩虹病毒)的抵抗能力。此外,短小芽孢杆菌(Bacilluspumilus)、克劳士芽孢杆菌(Bacillusclausii)、酿酒酵母(SaccharomycescerevisiaeP13)、嗜冷杆菌(Psychrobactersp.)等皆发现可用于石斑鱼的海水养殖。5.2金赤东南角杆菌的使用金赤鲷是欧洲南部的重要养殖鱼类,但是过多的传染性疾病的发生使得这类鱼的养殖产量锐减,造成巨大的经济损失。近几年,益生菌作为抗生素的替代品被应用于金赤鲷养殖。CARNEVALI等从金赤鲷的成鱼肠道中分离培养了食果糖乳杆菌(Lactobacillusfructivorans),并将其和植物乳杆菌(Lactobacillusplantarum,非金赤鲷肠道细菌)混合后投喂金赤鲷,发现仔鱼早期植物乳杆菌的数量维持在较高的水平,但是随着鱼的生长,食果糖乳杆菌逐渐占据了优势,并且其益生作用要高于植物乳杆菌。饲喂的乳酸菌可显著降低金赤鲷的皮质醇、热应激蛋白(Hsp70,70KDa)的表达水平,提高对强酸的耐受能力等。另外,饲喂乳酸菌(Lactobacillusspp.)还可提高金赤鲷的消化酶的活力,从而提高饲料的消化率,并能够降低鱼的死亡率,但是直接将乳酸菌加入池水中却没有这些效果。现在,越来越多的细菌被发现可用于制备微生态制剂,促进金赤鲷的健康发育。益生菌除了能够提高金赤鲷的成活率、生产性能、抗应激能力,还能够调节免疫功能、促进免疫系统的发育。SALINAS等发现两种乳酸菌(Lactobacillusdelbrüeckiissplactis和B.subtilis)皆可提高金赤鲷头肾白细胞的吞噬能力,强化免疫功能。两种菌混合使用的效果要比单一菌种更好,这可能是由于两种菌的益生途径不同,各自拥有不同的免疫调节机制。益生菌亦能够促进金赤鲷的免疫功能的发育。CHAVES-POZO等发现益生菌可促进金赤鲷免疫系统的发育,且随着养殖时间的延长效果更加显著;在养殖后期(孵化后99d),金赤鲷的免疫功能显著高于前期(孵化后28d)。5.3乳酸菌对舌齿蚤的影响CARNEVALI等将从舌齿鲈成鱼肠道内提取的乳酸菌(Lactobacillusdelbrüeckiispp.delbrüeckii)饲喂欧洲舌齿鲈幼鱼,发现这种乳酸菌能够有效地在舌齿鲈肠道内定植,并成为优势菌群,其数量与对照组比较有显著性提高;并且试验组与空白对照相比,舌齿鲈的生产性能、饲料利用率皆有明显提高。FROUEL等亦发现乳酸菌可提高舌齿鲈的成活率、生产性能。不仅如此,早期饲喂乳酸菌还能增加T细胞和嗜酸性粒细胞的数量,而不会破坏肠道粘膜上皮;同时,IL-1β、IL-10、Cox-2、EGF-β亦有所降低,这说明乳酸菌能够调控欧洲舌齿鲈的免疫系统。5.4新型免疫增强剂大黄鱼是我国重要的海水养殖鱼类。随着大黄鱼养殖规模的扩大,大黄鱼的病害日益增多。鉴于传统药物(抗生素等)的安全隐患,开发高效安全的新型免疫增强剂成为当务之急。研究者发现,向饲料中添加1.36×107cfu·g-1的枯草杆菌(Bacillussubtilis)可提高大黄鱼的增重、饲料转化率,调节非特异性免疫反应,减少疾病的发生。王君娟从大黄鱼肠道内分离培养的芽孢杆菌的代谢产物既有较好的抑制病原弧菌的效果及较广的抗菌谱,又有较好的降解氨氮、残余饵料(蛋白质和淀粉)的能力,推测其在海水养殖上具有潜在的应用价值。5.5益生菌的使用GATESOUPE等最先将益生菌用于大菱鲆养殖,发现饲喂乳酸菌后,大菱鲆肠道内乳酸菌的数量显著增加;大菱鲆对致病弧菌的抵抗能力有所提高,成活率显著提高;益生菌的最佳使用剂量在(1~2)×107c