益生菌在工厂化水产养殖中的应用及机制研究进展

■钱 怡 周瑾茹 傅玲琳 吕振明 伊祥华 王彦波*

（1.浙江工商大学食品与生物工程学院，浙江杭州310018；2.浙江海洋大学海洋科学与技术学院，浙江舟山316022；3.象山蓝尚海洋科技有限公司，浙江象山315700）

我国是世界上最大的水产品生产和消费大国，2016年全国水产品总产量达到6 901.25万吨，其中养殖产量为5 142.39万吨，占总产量的74.51%。为了满足人们日益增长的水产品需求，水产养殖业近几年发展迅速，成功实现了从“以捕为主”到“以养为主”的转变。水产养殖方式多样，其中工厂化水产养殖有着高投入、高收入、高自动化的特点，成为渔业生产行业的高新技术项目。

工厂化水产养殖是一种采用现代工业技术和现代生物学技术相结合，对水产品整个生长环境进行全程高密度地监管、控制，从而实现了养殖对象在最佳环境下获得最大的产量，并且避免了资源浪费和环境污染。我国从20世纪80年代开始初步尝试工厂化养殖，随着现代技术的不断提高而发展迅速，引起了广泛的关注。

在工厂化养殖过程中，常使用抗生素来提高水生动物的存活率。抗生素的滥用导致新的耐药菌产生，有研究表明，抗生素还能通过生物链的传播最终影响人体健康[1]。益生菌主要由活的或死的有益微生物细胞或细胞的某种成分组成，作为饲料补充剂或水体添加剂，可运用于工厂化水产养殖中，从而起到改善水质、提高宿主肠道健康和增强免疫能力等作用，近年来已成为研究的热点。

1 益生菌在工厂化水产养殖中的应用进展

1.1 益生菌在虾类工厂化水产养殖中的应用进展

据调研，益生菌已逐步取代化学药物和抗生素而被广泛运用于虾类的工厂化养殖中，效果显著。但有研究表明，由于益生菌种类和虾种类的差异性，可表现出不同的应用效果。如在凡纳滨对虾养殖过程中，以枯草芽孢杆菌为例，可以显著增强其肠道消化酶的活性和提高肠道菌群的数量，最终提高对虾养殖的存活率。而目前研究发现，在凡纳滨对虾养殖过程中，将芽孢杆菌属与链霉菌属或乳酸杆菌属分别混用，可以改善循环水系统中水的质量，提高沉积物中异养细菌的数量及水中甲烷浓度的百分比。分析原因发现，凡纳滨对虾的底栖生物行为与水体中的细菌群落关系密切。由此可见，在养殖过程中可根据不同的需求而添加相应的益生菌（见表1）。丁酸梭菌作为常见的益生菌，应用于不同的虾类可产生不同的效果。主要包括提高虾类的生长性能，提高日本对虾的抗氧化能力，提高凡纳滨对虾肠道SFAC体内粗蛋白质含量和调节其肠道消化能力和免疫功能。因此在工厂化养殖过程中，应根据养殖品种和不同的生长阶段设计相应的益生菌，同时考虑不同的菌种复合使用的协同和颉颃作用，充分发挥益生菌的作用。

表1 近5年益生菌在虾类工厂化水产养殖中的典型运用

1.2 益生菌在鱼类工厂化水产养殖中的应用进展

据了解，益生菌已广泛应用于鱼类工厂化养殖中，有效地解决了化学药物的残留问题，强化了鱼类的免疫系统，促进了营养物质的消化和吸收，并通过分解水中有机物质来调节养殖水体水质。益生菌具有许多优点，若使用不当，不仅不能达到改善的效果，还会对鱼类肠道造成不可逆转的影响。因此，为了避免该现象的产生，可根据益生菌的种类、作用效果、使用量等因素以及鱼的种类、大小、年龄的不同选择合适的饲料配比，从而获得最佳的应用效果。Uros等[7]将乳酸菌应用于梭鲈鱼的工厂化养殖中，发现该菌对梭鲈鱼幼鱼的作用效果明显，尤其是在促进其蛋白质消化率和骨骼发育等方面（见表2）。分析认为，幼鱼免疫系统尚未发育完全，除了依靠先天性免疫外，乳酸菌还可通过肠道促进免疫器官发育，并通过产生乳酸、过氧化氢、抗菌肽等方式抑制病原微生物的生长。此外，有研究表明，将从成熟水生动物中分离得到的益生菌应用于幼鱼的养殖中，其作用效果更加明显。因为该益生菌进入鱼体肠道后能迅速成为优势菌，进而发挥相应的作用。

表2 近5年益生菌在鱼类工厂化水产养殖中的典型应用

1.3 益生菌在其他类工厂化水产养殖中的应用进展

益生菌在海藻类、贝类、软体动物等的水产养殖中的报道较少，尤其是在工厂化养殖中的应用的研究。工厂化养殖凭借其先进的技术手段，为养殖水生动物提供了良好的生态环境，因此，研究益生菌在这些水生动物工厂化养殖中的应用具有重要的意义。有研究证明，某些益生菌的黏膜和一些代谢产物能促进扇贝幼体变态附着，用这些细菌处理扇贝幼体可以显著提高其产量和质量。Liu等[12]从海参中分离梅奇酵母属C14，并将其应用于幼年海参的养殖中，结果表明海参的免疫应答性和抗病性显著提高（见表3）。因此，在实际养殖中，常选用取自水生动物或其肠道的益生菌，以确保其能迅速在肠道黏膜上黏附、定植和繁殖，并与致病菌竞争黏附点和营养物质，从而杀死致病菌，改善肠道健康。

表3 近5年益生菌在其他类工厂化水产养殖中的典型应用

2 益生菌在工厂化水产养殖中的应用机制

2.1 益生菌在工厂化水产养殖中的体外水体净化机制

值得注意的是，在工厂化水产养殖中，许多养殖户选用循坏水处理的方法调节水体质量，但由于养殖过程中的无序性，如饲料的随意添加、抗生素等化学药物的滥用、养殖密度的增加等，使得养殖水体污染严重，整个密闭的养殖生态环境失衡。益生菌不仅能改善水生动物的存活率，同时也是一种常用的、无污染的水质调节剂（见表4）。Melgar等[22]已经证明了沼泽红假单胞菌、植物乳酸菌、干酪乳杆菌和酿酒酵母等多种益生菌具有改善养殖水体质量的作用，其作用机制主要有调节水体pH值、降低硝酸盐浓度、降低水中溶解氧浓度等。Zou等[23]研究了将不同比例的枯草芽孢杆菌、粪链球菌、光合细菌相结合来改善水质，发现结合的菌种和比例不同，对于COD、氨氮浓度、亚硝酸盐、硫化物的作用效果也不同。复合菌的有机结合与单一菌相比，可通过协同作用发挥更好的效果。每种益生菌功能的差异，与其结构特性和生物活性有关，因此在养殖中须掌握好每种菌体的差异进行组合使用，否则会影响复合菌的作用效果。此外，异养益生菌可催化一些重要的化学反应，如固氮、硝化、反硝化和硫化反应，加快有机物的生长[24]。另有研究发现，光合细菌在养殖水体中是优势菌，除了能抑制致病菌的生长外，还能提高磷元素的利用率和降解硝酸盐的含量。

表4 益生菌在工厂化水产养殖中调节水质的主要作用

2.2 益生菌在工厂化养殖中的体内肠道改善机制

在工厂化水产养殖中，益生菌通过饲料投喂进入水生动物的肠道内部。定植于肠黏膜表面，阻断病原体的结合位点；分泌不同类型的防御分子，增强肠道免疫调节；优化肠道菌群，促进营养物质的消化吸收，提高养殖产量。益生菌在工厂化养殖中的体内肠道改善机制如图1所示。

病原体一般需要附着在肠道黏膜表面进行繁殖，益生菌通过消化道进入肠道后迅速成为肠道优势菌群，与其竞争附着位点。有研究表明[25]，细菌包括益生菌在肠黏膜表面的吸附能力取决于其细胞壁中是否存在黏液结合蛋白。此外，益生菌通过产生胞外酶的形式加强宿主肠道的新陈代谢，包括一些蛋白酶、淀粉酶纤维素酶等。Wahyu等[26]研究了巨大芽孢杆菌（Bacillus megaterium）对鲶鱼生长的影响，结果表明其显著增强了鲶鱼肠道内蛋白酶和淀粉酶的活性，从而促进了鲶鱼个体生长。在实际养殖过程中，水质、温度、喂养量及喂养时间等外部因素与肠道pH值、体温、喂养个体年龄等内部因素都在一定程度上通过改变肠道内菌群而影响其营养消化[27]。但对于这些益生菌在水生动物体内肠道代谢的实际作用机制尚未有确定的研究。

图1 益生菌在工厂化水产养殖中的体内肠道改善机制

益生菌或正常肠道共生菌与水生生物的黏膜免疫关系密切。一旦病原体进入体内，定植于肠道内的益生菌就会迅速激活它的黏膜免疫系统，包括免疫和补体系统[28]。目前，对于益生菌对鱼类、虾类等水生动物的免疫系统影响的研究，主要集中于测定其相关免疫基因的表达、白介素、细胞因子浓度等指标。如Kim等[29]研究了屎肠球菌对于比目鱼感染格式乳球菌后免疫应答的影响。结果表明，屎肠球菌能有效刺激补体相关基因的表达，提高溶菌酶和蛋白酶活性。此外，益生菌还能通过刺激细胞因子的产生来提高水生动物肠道的免疫调节。但至目前为止，益生菌对于水生动物免疫调节的具体机制尚不清楚。He等[30]对杂交罗非鱼投喂混有枯草芽孢杆菌C-3102的饲料后，发现其肠道菌群改变并且肠道黏附活菌数明显增强，肠道细胞因子如IL-1b、TGF-β、和TNF-α的表达也显著提高。随着分子生物学技术的提高，变性梯度凝胶电泳（DGGE）、温度梯度凝胶（TGGE）、RNA-seq等技术广泛应用于益生菌对肠道免疫调节的研究中，使得益生菌在工厂化水产养殖中的应用更有针对性和有效性。

3 益生菌在工厂化水产养殖中的应用前景

综上所述，益生菌广泛应用于工厂化水产养殖中，具有改善水生生物健康、提高机体免疫力、提高养殖产量和净化养殖水体等作用。但至目前为止，益生菌在工厂化水产养殖中的应用还存在以下问题：①其改善机体健康和提高免疫力的具体机制尚未清楚；②一些来自于益生菌的生物活性物质的作用机理不够明确；③各种益生菌生存、定植和繁殖的最佳条件及喂养剂量、时间等有待进一步研究；④益生菌对养殖水生生物健康的长期影响尚未确定，存在稳定性和安全性问题；⑤亟需研发益生菌快速生产技术，以满足工厂化大量使用的要求。随着研究的进一步深入，可利用分子生物学和高通量的基因组学等技术来进行益生菌提高免疫力、肠道定植等方面机制的研究；此外，对于水生动物肠道有益菌群的研究同样有利于益生菌的可持续开发。总之，益生菌作为一种潜在的抗生素替代品，必将开启工厂化水产养殖业的发展的新篇章。