蛭弧菌在水产养殖中应用研究进展
2018-01-18陈康勇钟为铭高志鹏
陈康勇,钟为铭,高志鹏,2
(1.湖南农业大学 动物科学技术学院,湖南 长沙 410128;2.水产高效健康生产湖南省协同创新中心,湖南 常德 415000)
蛭弧菌是一类专门寄生于其他细菌并能导致其裂解的革兰氏阴性菌,对多种致病菌具有良好的裂解效果[1],属于蛭弧菌科,比一般细菌小,能通过细菌滤器,广泛存在于土壤、河流、下水道污泥等环境中。蛭弧菌不侵染真核细胞,对人和动物无致病性[2-3],薛恒平等[4-6]报道了蛭弧菌对仔鸡、小鼠、鲫鱼(Carassiusauratus)的生长没有毒害作用。蛭弧菌作为“活性抗生素”在农牧业、医学以及环保方面已展现出其应用价值[7-9],它能够在短时间内裂解弧菌属(Vibrio)、气单胞菌属(Aeromonas)、假单胞菌属(Pseudomomas)等主要水生动物病原菌,林茂等[10]研究表明,蛭弧菌BDH21-02的宿主范围极为广泛,对气单胞菌属、弧菌属、假单胞菌属、爱德华氏菌属(Edwardsiella)中常见种具有裂解作用。养殖水质调控已成为发展生态养殖的关键,蛭弧菌可有效控制水体中氨氮、亚硝酸盐、硫化物等有害物质的含量,达到改良水质的目的。李怡等[11]研究发现蛭弧菌可有效降低乌鳢(Ophiocephalusargus)养殖池氨氮、亚硝酸盐氮和弧菌的含量,同时增加水中溶解氧。
目前,细菌性疾病是制约水产养殖业发展的重要因素,抗生素类药物是防治细菌性疾病的主要手段,但抗生素的滥用导致多种病原菌产生耐药性,同时在水生动物、水体中药物残留的毒副作用日益显著,这给食品安全、养殖环境以及自然生态环境都带来巨大威胁。因此,蛭弧菌以其净化水质、消除病原菌的特性[12],在水生动物生态、健康养殖中具有广阔的应用前景。
1 蛭弧菌的作用机理
蛭弧菌的生活史有两个阶段,一个是自由生活、能运动、不进行增殖的阶段,即非生长攻击阶段,另一个是在特定宿主细菌的周质空间中利用宿主菌成分为营养源并通过复分裂进行增殖,最后裂解宿主细菌并释放成熟子代个体,两个阶段交替进行[13],具体可分为识别定位、吸附侵入、生长繁殖、裂解释放4个阶段。(1)识别定位阶段:早期研究认为蛭弧菌通过跳跃式的随机碰撞寻找宿主,并直接吸附至宿主菌上[14]。但最新研究表明,某些蛭弧菌菌株对水中氨基酸和其他有机化合物有趋向性,蛭弧菌可通过识别宿主菌群产生的丝氨酸内酯向宿主菌富集区域高速前进[15]。(2)吸附侵入阶段:蛭弧菌高度猛烈碰撞宿主菌,并以无鞭毛端与宿主菌细胞壁接触,与宿主菌形成一个短暂的可逆结合,当蛭弧菌通过识别确认是一个合适宿主时,通过外膜蛋白、脂多糖或纤毛与宿主相互作用发生不可逆结合[16]。吸附于宿主菌后,菌体以100 r/s以上的转速在宿主菌细胞壁产生机械“钻孔”效应,并通过释放聚糖酶、肽酶、N-脱乙酰基酶、酰基转移酶和一种去除脂蛋白的酶[17-20],使宿主菌的细胞壁外膜降解、变薄并形成渗透孔,然后蛭弧菌通过纤毛的伸缩推进蛭弧菌穿过渗透孔[15]。蛭弧菌入侵宿主菌后导致宿主菌不断膨胀,并成为对渗透压不敏感的球形体,最终导致宿主菌死亡[21]。因此,宿主菌被一个蛭弧菌吸附后,不能再被其他蛭弧菌吸附。其他没有找到合适宿主菌的蛭弧菌会因消耗大量能量而死亡[22]。(3)生长繁殖阶段:蛭弧菌侵入宿主菌周质空间的同时失去鞭毛,宿主菌由杆状变为球状,形成蛭质体,蛭弧菌把宿主菌作为营养源进行自身生物大分子合成,并利用宿主DNA 降解得到的核苷酸来合成自身DNA[23]。研究发现BbacteriovorusHD100有一套完整的嘌呤和嘧啶合成基因,这说明蛭弧菌本身也具有合成核苷酸的能力[15]。当宿主营养被完全吸收后,丝状的菌体均匀伸长数倍,并均匀地以复分裂方式形成多个游动细胞,同时合成鞭毛。(4)裂解释放阶段:蛭弧菌的增殖和水解酶的产生使宿主菌细胞壁分解,进而裂解释放出子代蛭弧菌,开始新的生命周期。
目前,已有部分研究者从分子水平阐明蛭弧菌的裂解机制[24-26],Schwudke等[27]研究显示,蛭弧菌菌毛蛋白基因的表达在裂解宿主菌的过程中具有重要作用。Messing等[28]发现蛭弧菌bd0713基因表达产物BdRppH为RNA焦磷酸水解酶,与裂解酶的分泌有关。Lambert等[29]研究表明,蛭弧菌的编码甲基接受趋化蛋白基因mcp2敲除后将会导致侵染宿主菌的速度变慢,证明了该基因在蛭弧菌寻找宿主菌方面有趋向性作用。
2 蛭弧菌在水产养殖中的应用
当今,人们对健康的水产品的需求量日益增长,但是我国的水产养殖业片面地追求降低饲料系数、提高产量,追求经济利益,从而无节制地使用抗生素、化学药物来防治病害,使养殖环境不断遭到破坏,出现水体富营养化、重金属污染、药物残留超标等现象,加之自然环境的日益恶化,导致水生动物疾病频发,我国水产业每年因病害造成的经济损失约为140亿元,其中细菌性疾病尤为严重,约占水产养殖病害的46%[30]。蛭弧菌以其天然、无污染、无残留的特点在水产养殖业中具有广阔的发展前景,有望成为抗生素的替代品,减轻抗生素滥用带来的各种困扰,减少抗生素滥用带来的巨大经济损失,蛭弧菌已经成为水生动物健康、生态、高效养殖的新工具。
2.1 改善养殖水质
随着我国水资源污染加重,河流、湖泊等养殖水源遭到破坏,养殖水质面临严重的问题。在养殖过程中,水生动物排泄物以及剩余饵料不断积累,一旦水体中有机物增加的速度大于水体自净的速度,就会使溶解氧下降,氨氮、亚硝酸态氮上升,致病微生物大量繁殖,导致疾病频发、水生动物生长发育异常,造成巨大经济损失。蛭弧菌制剂发酵过程中产生的代谢产物可分解、转化水中的亚硝酸盐,改善养殖水体水质,减少蛋白态氮向氨和胺转化,从而减轻水中氨和有机质污染[31]。
曲疆奇等[32]研究表明,蛭弧菌微生态制剂可有效利用养殖水体中的含氮化合物,使养殖水体中的氨氮、亚硝酸态氮快速降解,有效改善养殖水质。张梁等[33]在草鱼(Ctenopharyngodonidellus)养殖池加入蛭弧菌后发现,水体主要水化指标具有明显改善,试验组的平均化学耗氧量、氨氮、硫化物显著低于对照组,溶解氧显著高于对照组,池水细菌总数及病原菌的数量也随着蛭弧菌浓度的增加呈几何级数减少。陈家长等[34]研究发现,蛭弧菌和光合细菌联合使用对中华绒螯蟹(Eriocheirsinensis)养殖水质有改善作用,细菌总数由6.3×106cfu/L降至2.6×103cfu/L,试验组池塘的氨氮、硫化物含量以及化学需氧量均明显下降。李欢欢等[35]研究发现,蛭弧菌BDH12 可有效抑制九孔鲍(Haliotisdiversicoloraquatilis)肠道和养殖水体中总菌和弧菌数量,在病原菌数量快速增长时,蛭弧菌BDH12表现出较强抑制作用,有效改善水质,九孔鲍的存活率和生长率显著提高。可见,蛭弧菌在改善养殖水质方面有非常显著的效果,在水产养殖中具有十分广阔的应用前景。
2.2 预防水生动物细菌性疾病
抗生素的长期使用容易使病原菌产生耐药性,利用蛭弧菌对病原菌独特的寄生和裂解特性,可有效清除养殖水体及水生动物体内的病原菌,减少病原菌数量,使其无法达到致病密度,以达到防治病害、提高成活率的效果。因此,蛭弧菌具有取代抗生素的潜力,成为控制水生动物疾病的新手段。蛭弧菌作为水体自净的生物因子,可有效清除河水中的大肠杆菌(Escherichiacoli)、沙门氏菌(Salmonella)和不凝集弧菌(non-agglutinableVibrio),清除率均在90%以上[36]。张吕平等[37]研究证实,蛭弧菌对凡纳滨对虾(Litopenaeusvannamei)养殖水体中弧菌的杀灭效果显著优于二氯异氰尿酸和季铵盐络合碘消毒剂,可有效预防凡纳滨对虾弧菌病的发生。陈静等[38]研究表明,使用5×107pfu/m3的蛭弧菌可使养殖水体中细菌总数由原来的4.60×105cfu/mL降至2.62×103cfu/mL,有效预防罗非鱼(Oreochromisspp)细菌性疾病,与光合细菌配合使用可取得更好效果。张志祥[39]用蛭弧菌Bdm4拌饲投喂鲤鱼(Cyprinuscarpio)和黄鳍鲷(Acanthopagruslatus),并采用嗜水气单胞菌(A.hydrophila)和溶藻弧菌(V.alginolytica)进行感染,试验组的存活率分别为65%和55%,而对照组的存活率均为35%。熊英等[40]向池塘中泼洒蛭弧菌1个月后,与对照塘相比,试验塘草鱼发病率、死亡率明显下降,蛭弧菌可有效预防由病原菌引起的草鱼赤皮病、烂鳃病和肠炎。
蛭弧菌可有效减少抗生素、消毒剂等化学药剂的使用,有效降低化学药物在水生动物体内的残留,进而减少药物残留对人类健康的危害。在水产养殖业“防先于治”的今天,蛭弧菌以其无毒害、无残留等优点,已成为促进水产养殖业健康、可持续发展的重要因素。
2.3 治疗水生动物细菌性疾病
水产养殖业频频遭到细菌性疾病的侵袭,甚至引发了大规模的死亡,限制了水产养殖业的健康发展。水生动物细菌性疾病的病原菌以气单胞菌属、假单胞菌属、弧菌属为主,这3个属细菌均为革兰氏阴性菌,能被蛭弧菌裂解,且裂解率高达70%以上[41]。生产上可利用蛭弧菌对革兰氏阴性菌的裂解特性治疗水生动物细菌性疾病。秦生巨[31]利用蛭弧菌制剂治疗由弧菌引起的大菱鲆(Scophthalmusmaximus)出血病,结果证明连续使用复合蛭弧菌制剂3 d,267尾严重出血的大菱鲆的治愈率为98.7%,效果显著。陈丽芸等[42]使用蛭弧菌治疗由假单胞菌属、弧菌属中的某些菌种为主要病原菌引起的大菱鲆红嘴病,低密度组(103pfu/mL)7 d基本达到治愈红嘴病的效果,高密度组(107pfu/mL)能在5 d内治愈全部患病大菱鲆,蛭弧菌密度越高,红嘴病痊愈越快。黄立斌等[43]试验证实,蛭弧菌能够明显降低鲫鱼感染嗜水气单胞菌的发病率和死亡率,使用蛭弧菌的试验组鲫鱼存活率达30%以上,而对照组全部死亡。蛭弧菌不如抗生素效应快,其制剂4~6 h才能效应,但作用效果能持续15 d以上,这一点显著优于抗生素及其他化学药物[31]。但是当发生爆发性强、发病急的细菌性疾病时,蛭弧菌的效应时间较长,难以达到治疗的效果,所以使用蛭弧菌应以防预为主,并在细菌性疾病发病初期使用。
2.4 提高水生动物免疫活性
免疫系统是机体的防御系统,其防御功能的高低,直接影响到机体的抗病能力和生产能力。尤其是虾类、贝类等低等无脊椎动物,其免疫系统进化程度低,仅由少量免疫器官、免疫细胞和免疫因子组成,缺乏特异性免疫应答。蛭弧菌进入水生动物肠道后,在聚糖酶、肽酶等酶的作用下释放细胞壁中的肽聚糖或者其它免疫物质,从而发挥免疫增强剂的功能,刺激溶菌酶活性,增强与鱼类免疫功能相关酶活性[44]。陈小红等[45]研究表明,在养殖水体中添加蛭弧菌后,九孔鲍超氧化物歧化酶、溶菌酶、酸性磷酸酶和碱性磷酸酶的活力均高于对照组。用嗜水气单胞菌攻毒后,对照组九孔鲍的存活率为53%,而蛭弧菌添加组的九孔鲍的存活率均达到89% 以上。可见,在养殖过程中应用蛭弧菌可有效提高九孔鲍的非特异性免疫应答和抗病力。张梁等[46]用添加蛭弧菌剂量为5 g/kg的饲料喂养草鱼,草鱼血清抗菌活性、溶菌酶活性、脾脏和胸腺的免疫器官指数逐渐升高,血液中的氯化硝基四氮唑蓝阳性细胞数量是对照组的2.2倍。邓时铭等[47]试验证实,蛭弧菌能有效刺激鲫鱼脾脏和头肾等免疫器官的生长,在试验的第21 d,其血液中红细胞数量和氯化硝基四氮唑蓝阳性细胞的数量分别是对照组的2.11和1.80倍。韩宇翔等[44]研究表明,饲料中添加蛭弧菌对西伯利亚鲟(Acipenserbaeri)体内免疫相关酶系统产生显著的调理改善作用,试验组的溶菌酶活性都显著增强,饲料中蛭弧菌剂量为6 mg/g 与 9 mg/g 的两组西伯利亚鲟鱼血清中碱性磷酸酶、过氧化酶活性相对于对照组都有极显著的增强,使其非特异性免疫力得到提高。可见,蛭弧菌对水生动物免疫活性的增强作用为疾病防控、绿色养殖寻找到新的切入点。
2.5 用于水产品保质
水产品是人类重要的蛋白源,然而在种类繁多的水产品中存在多种危害人体的病原菌[48],如大肠杆菌、霍乱弧菌(V.cholerae)、副溶血弧菌(V.parahaemolyticus)、沙门氏菌等,这些细菌是引起食物中毒的主要原因。因此,水产品保质是水产加工业发展过程中非常重要的一个环节,也是关系到水产品品质和经济效益的重要问题。蛭弧菌能够通过裂解引起水产品变质的病原菌,达到水产品长期保鲜的目的。蒋小平等[49]在草鱼片大肠杆菌控制试验中表明,蛭弧菌BDYJAL 低、高密度组在试验3~36 h内都能有效控制新鲜草鱼鱼片中大肠杆菌的生长。李娜等[50]研究表明,蛭弧菌M01处理草鱼片与超高压、双氧水相比,能在较长时间内(48 h)控制草鱼鱼片中猪霍乱沙门氏菌(Salmonellaentericacholeraesuis)的增长,保持鱼片良好的感官状态,试验结束时超高压处理组猪霍乱沙门氏菌数高于蛭弧菌试验组0.63 Log。可见,蛭弧菌为草鱼片提供了绿色的加工途径。闫刘慧等[51]将蛭弧菌游泳体和蛭质体以1∶1比例混合制备的蛭弧菌混合体作为微生物制剂用于大马哈鱼(Oncorhynchusketa)生鱼片的制作,将加工初洗时的生鲜原料浸渍于蛭弧菌混合体中,当蛭弧菌混合体菌液密度达103pfu/mL时,大马哈鱼片菌落总数和病原菌的残留率均为0,从而有效地预防食物中毒并延长了鱼片的保质期。蛭弧菌作为一种新型的防腐剂,能有效清除引起水产品变质的病原菌,保持原有风味,同时不会造成食物营养的流失,还能有效降低水产品中包括病原菌在内的生物负荷量。在食物安全越来越被重视的今天,蛭弧菌的显著效果为水产品保质提供了一条新思路。
3 蛭弧菌应用中存在的问题
虽然蛭弧菌在改良水质、疾病防控、水产品保质等方面具有良好的应用效果,但蛭弧菌在水产养殖应用中依然存在诸多问题,这些问题也制约了蛭弧菌的广泛使用。其中主要存在的问题包括:(1)国内外关于蛭弧菌的研究主要集中于应用,而忽略了基础理论研究的重要性,例如,蛭弧菌吸附于宿主菌表面的识别位点以及不可逆结合的具体反应仍然有待研究,蛭弧菌裂解机理的研究还需完善。(2)水产用蛭弧菌制剂的剂型较为单一,而单一的高密度蛭弧菌在水体中的作用时间较短,需要频繁加入才能维持控菌效果,而且生产上使用的绝大多菌种为通用菌种,对适用对象及范围缺乏针对性。(3)尚未建立一种简易的蛭弧菌筛选方法,目前使用的蛭弧菌制剂效率较低,并且会因为抗生素等药物的使用而失活。今后应该加强关于蛭弧菌筛选方法的研究,以获得针对不同养殖品种、不同生长时期、不同环境条件的耐药性较强的蛭弧菌菌株,并使其作用更专一。(4)蛭弧菌增殖速度较慢,不同蛭弧菌的宿主菌裂解谱存在差异性,如何使其增殖速度更快、裂解谱更广也是一个有待解决的问题。因此,高效增殖方法以及扩增蛭弧菌的裂解谱研究甚为迫切。(5)蛭弧菌在生产应用中发挥作用的有效剂量还缺乏研究,在水产养殖中蛭弧菌的使用量也多是基于经验,尚无科学依据。(6)实验室条件下多运用液氮超低温法、冷冻真空干燥法保藏蛭弧菌,关于蛭弧菌持效稳定、适合生产应用的保藏方法的研究甚少。(7)许多细菌都有天然的转化能力,频繁的使用蛭弧菌可以提高其与病原菌发生有害基因水平转移的可能性,使蛭弧菌转变成新的有害菌,产生新的问题,因此蛭弧菌使用的安全性方面值得注意。(8)目前的研究主要强调了蛭弧菌的实验室条件下的应用效果,这些试验不能支撑蛭弧菌在不同养殖品种、不同水质条件的实际生产中的科学应用。因此,蛭弧菌制剂的应用技术研究有待加强。
蛭弧菌制剂产品仍不够成熟,上述存在问题制约着蛭弧菌在水产养殖业的发展。因此,解决这些问题并选育出高效广谱、适应能力强、耐药性强、增殖快的菌种将是今后对蛭弧菌研究的重点。
4 展 望
目前,虽然已经进行了许多关于水产用蛭弧菌的研究,但还有很多工作需要继续开展,我国水产蛭弧菌制剂还处于起步阶段,还有很多理论和实践问题需要进一步探索。第一,缺乏有效控制蛭弧菌变异的方法,选育出高效广谱且适应能力强的蛭弧菌是工作的关键,可以通过分子克隆、基因工程等分子生物学技术对蛭弧菌的基因进行改造。第二,改良水质是一个复杂的生态问题,单靠一种功能菌往往不能实现,不同蛭弧菌或者蛭弧菌与其他益生菌间的协同作用有助于其效果的增强。通过不同功能蛭弧菌的协同作用,配制出多功能的复合制剂,解决菌种单一、应用效果不佳的现状。因此,如何将不同蛭弧菌或者蛭弧菌与其他益生菌有效联合使用,将成为今后研究的主要方向。第三,加强蛭弧菌在水产养殖中的生产性试验,加强蛭弧菌对不同品种、规格的水生动物以及养殖环境发挥作用的有效剂量的研究,为生产提供最直接的参考。第四,优化生产工艺,以产出容易保藏、便于运输、使用简单的蛭弧菌制剂为目标,从而有利于推广使用。第五,充分考虑蛭弧菌对水生动物自身有益菌的影响,以及病原菌有害基因的水平转移等安全性问题,防止产生新的生态失衡。
当前,解决抗生素问题迫在眉睫,渔用抗生素的滥用更是屡次被推上风口浪尖,农业部第2292号公告提出,食品动物养殖中禁止使用洛美沙星、培氟沙星、氧氟沙星、诺氟沙星,2017农业部拟定起草了《全国遏制动物源细菌耐药行动计划》,这一次针对更多的抗生素,如金霉素、黄霉素、喹乙醇等。保障水产品质量安全已经成为水产养殖工作的重点,蛭弧菌已在我国商品化生产,以其绿色、环保、健康的特点有望取代抗生素,并在水产养殖业中广泛应用,必定会带来良好的经济效应和生态效应。
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