海参肠道微生物的形成与影响因素研究进展

柴英辉，范鑫昊，刘胜男，高金伟，贾旭颖，邵蓬，周文礼

海参肠道微生物的形成与影响因素研究进展

柴英辉，范鑫昊，刘胜男，高金伟，贾旭颖，邵蓬，周文礼通信作者

（天津农学院 水产学院 天津市水产生态及养殖重点实验室，天津 300384）

随着海参养殖规模的扩大，许多养殖方面的问题逐渐凸显。海参养殖过程中的污染物如残饵粪便等分解产生有毒害作用的氨氮、亚硝酸盐等，可导致水质下降，严重降低海参的产量；由病原微生物引起的病害问题更是直接威胁着水产养殖的经济效益。虽然渔业资源与环境保护的力度一再增强，但海参养殖的病害还是频频发生，病害问题追溯到根源主要为微生物，因此，对海参肠道微生物的形成及其宿主调控进行综述，介绍肠道微生物早期的定植、微生物的功能和调控，为了解海参肠道微生物的形成机制及相关病害的预防和治疗等提供参考。

海参；病原微生物；病害；功能

1 海参肠道微生物的研究进展

1.1 水产动物肠道微生物组成结构

过去十几年的健康人类研究结果表明，人类与微生物存在着共栖关系，人体肠道中微生物大约有1013～1014种[1- 2]，其中，最主要的微生物群组包含革兰氏阴性菌群中的拟杆菌门和变形菌门以及革兰氏阳性菌群中的放线菌门和厚壁菌门[3]，一系列细菌代谢产物和免疫调节介质能够穿越黏膜屏障，影响人体免疫细胞[4]。

随着高通量测序的不断发展，人们也越来越了解水产动物微生物的组成。与高等生物相比，水产养殖动物肠道的优势菌主要为好氧菌、兼性厌氧菌和转型厌氧菌3种类型[3]。值得注意的是，不同的养殖环境、饲料投喂情况以及分布地域不同均可以改变肠道微生物的结构。例如：淡水鱼肠道优势菌属为假单胞菌属、气泡单菌属和拟杆菌属，海水鱼肠道内优势菌属为黄杆菌属、假单胞菌属和弧菌属；渤海海参肠道优势菌属为弓形菌属、弧菌属、发光菌属，黄海海参肠道优势菌属为疣微菌属、脱硫球菌属、乳球菌属。

1.2 海参肠道微生物的形成

在海参养殖过程中，影响海参肠道微生物群落组成结构的因素很多，如水体因素、活性污泥因素、饮食习惯、温度和pH等。海参在摄食藻类、沉积物或人工饲料过程中，肠道微生物逐渐形成并富集[5]。研究认为，海参通过外界环境摄食饲料从而形成自身稳定的肠道微生物群落。目前水产养殖动物的诸多研究表明，通过卵孵化的水生动物在孵化时肠道是无菌的，但是随后迅速吸收环境中的微生物[6-7]。

1.3 其他棘皮类动物的共生微生物

肠道微生物为无脊椎动物提供诸多维持生命活动的维生素和氨基酸等生长活性因子。生长因子不仅可以很大程度地帮助棘皮动物消化和吸收肠道食物，还产生大量抗菌剂，进而保护宿主免受病原体感染。值得注意的是，人们不仅在其肠道和皮肤中发现了大量的微生物，还从血淋巴中发现了微生物。血淋巴是一种循环液，其功能与脊椎动物的血液和淋巴存在极大的相似性。血淋巴中菌群与陆生植物有很大类似性，在保护宿主健康中发挥着重要作用[8-13]。海星体壁和体腔液存在较强的抗菌活性物质，这可能与其自身存在的皂苷苷类和肽聚糖的识别蛋白能力和活性氧的种类有关[14-16]。与此同时，棘皮动物体的体腔液中还含有有机化合物，包括氨基酸、还原糖、蛋白质、脂类和含氮废物等物质[17]。从代谢物运输到免疫，他们的体壁和体腔液具有抗菌、抗真菌、抗凝血和抗肿瘤活性的生物活性化合物[18-20]，而在中间起到主要作用的还是棘皮动物肠道微生物[21]。

2 海参肠道微生物的功能

2.1 抑制病原菌

海参体相关的微生物群落丰富多样，从病原体到共生体，各种微生物相互作用、相互制约。单一微生物物种与单一寄主动物之间的一对一共生关系已成为研究寄主微生物相互作用的模型[22]在海参体腔液中发现了代谢活性和系统发育独特的E-变形菌和立克次体目，其中含有抗菌化合物[18]。海参病害中弧菌和假单胞菌是主要的病原微生物[23]。目前，经过试验验证的大多数对致病菌有拮抗作用的海洋菌属均属于交替假单胞杆菌属和弧菌属[24]，肠道微生物可通过自身的动态平衡来抑制弧菌的数量，从而达到抑制水生病害的目的。

2.2 提供营养，促进吸收

海参肠道微生物群落非常丰富，当进食藻类、底泥等物质后，海参肠道微生物将大的有机物分解成小的颗粒物，进而产生可供肠道吸收的小分子，为机体提供能力[25]。海参在自身消化吸收的同时也为人类的消化吸收提供了宝贵的营养物质，为人体的消化吸收和代谢奠定了坚实的理论基础。海参皂苷是海参的次生代谢产物，是海参的重要活性成分之一，对脂质的代谢具有调节作用， 海参皂苷可显著抑制胰脂肪酶活力，阻碍外源性脂肪消化吸收，对其作用机制进行了分子水平上的系统研究，为脂质代谢紊乱引起的高血脂、NAFLD、肥胖和胰岛素抵抗等相关疾病的防治提供了新途径，对提高低值海参的利用价值及开发新型保健食品提供了科学依据[26]。

2.3 其他功能

随着海参肠道微生物优势菌的发现和测序技术的高速发展，可通过基因组功能注释分析等发现海参肠道微生物还具有氨基酸转运和代谢、碳水化合物代谢，以及膜转运等功能[27]。将微生物功能分析与海参养殖技术融合可更好地对疾病预防提供理论基础。

3 影响海参肠道微生物组成的因素

3.1 水体因素

收集生态系统中不同的水样，发现其中含有各种各样的抗生素[28]。同时，越来越多的研究中抗生素和抗生素耐药性细菌[29-31]在养殖水体中和海参肠道中发现均有相似，也说明水体中的成分严重影响海参肠道成分的组成。海参肠道内细菌的丰度和多样性较高，通过水平基因转移具有成为抗生素受体的显著潜力[32]。他们也是可培养和不可培养微生物群落细菌繁殖的适宜场所[33]。

3.2 活性污泥

以往的研究已经筛选了受人为表面活性剂污染的沉积物，研究发现产生生物表面活性剂和耐乳化剂细菌的数量有所增加[34-35]。但养殖环境中表面活性剂抗性细菌并不比环境沉淀物多。以上结果表明，只有特定的海洋沉积物喂养水生动物内脏才是新型表面活性剂耐药细菌的潜在来源。

3.3 饮食习惯

前人研究中比较了人工饲料和天然基础饲料的作用效果，其中人工饲料中海参肠道优势门和纲的优势菌属分别为变形杆菌门、拟杆菌门和疣状微菌门，黄杆菌纲、变形菌纲和变形菌纲。但也存在诸多不同，使用人工饲料组的优势菌群为变形菌、黄杆菌和疣微菌[36]。可能是由于生活习惯和外在环境的差异造成了海参肠道微生物的诸多不同[37]。而在天然基础饲料中没有增加双歧杆菌引起的病害。但之前的研究显示，饲料中添加适量双歧杆菌或乳酸菌，海参肠道中的红杆菌科和微菌科明显增加，而黄杆菌科却不断减少，与目前出现的试验结果完全相反[38]。由此推测是否可利用饲料添加微生物达到定向改变海参肠道微生物和控制病害的目的。

4 海参养殖中病害防治

4.1 海参养殖过程中微生物制剂的应用

海参中肠道微生物通过共生、共栖、竞争、竞生等多种方式存在，前人研究中正是利用这些关系，增加其肠道内有益菌的数量，提高消化酶活性，从而提高营养物质吸收和利用，增强机体的免疫机能，促进海参生长，在海参饵料中添加微生态制剂，达到调节海参肠道微生物动态平衡的目的[39]。

养殖水体的好坏一定程度上决定着海参的口感和品质，水中含有大量微生物，水质差易引发多种水产养殖疾病[40]。为使海参在合适的水体中健康成长，提高生产效益，目前大多采用微生物制剂硝化、反硝化、氨化、氧化等化学作用来净化水质，有效降解养殖水体中污染有机颗粒，进而起到优化水质的作用[41]，目前普遍利用蛭弧菌对革兰氏阴性细菌具有特异、广泛裂解能力的特点，将蛭弧菌作为无毒、无副作用、效果稳定的作用菌以达到取代抗生素、控制病原菌、杀灭致病细菌和微生物及净化水体的作用。蛭弧菌在水产养殖业中的应用研究日益受到重视[41]。同时，在水产养殖过程中广泛使用的益生菌还有乳酸菌、光合细菌、酵母菌等[42]。

4.2 抗生素药物的应用

海参肠道是一个复杂的生态系统，其中含有大量不可培养的细菌种群。通过调节微生物种群达到预防和治疗疾病的效果，其中被广泛应用的为抗生素[43]。抗生素的主要原理为改变水产养殖环境和肠道微生物群，进而调节免疫系统的反应[44-45]。但抗生素也需合理使用，防止耐药细菌、超级细菌和新病原菌的产生。目前，水产养殖场中，海参养殖水体由于四环素和土霉素的不规范使用，造成大量海洋耐药弧菌，尤其是脾弧菌或塔斯曼弧菌的大量产生，从而对水产混养模式造成巨大困扰。

4.3 水环境的调控应用

众所周知，海洋微生物之所以能在海洋环境中生存，正常的海水是必然条件，当遇到食物营养不足的情况，甚至在低水温条件或高压、高温、高盐等极端环境下，仍可长期存活并繁殖后代，保持自身遗传多样性和种群遗传结构多样性[46]。长期生存在激烈的生存竞争环境中，往往会将防御能力和识别能力发挥在特异性性遗传方面，遗传差别的改变使宿主本身存在的微生物通过改变自身结构等来适应外在环境的改变，从而在新环境中更好的生长和繁殖[47-48]。了解病原菌的致病机制[49]，利用水温对致病菌起到的调控作用防止病害的发生。

5 展望

海参养殖过程中，由病原微生物引起的病害可通过改变底泥结构、有效控制水温、调节pH和添加微生物制剂等措施进行病害的预防和治疗，降低水产养殖的损失。但很少有研究关注抗生素在海参肠道菌群间的实时转移，究其原因是由于肠道是一个复杂的生态系统，其中含有大量不可培养的细菌种群，也未充分了解海参养殖过程中众多细菌性疾病的致病机制，以及如何更好地提高海参的口感和品质等。

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Research progress on the formation and influencing factors of intestinal microorganisms of sea cucumber

CHAI Ying-hui, FAN Xin-hao, LIU Sheng-nan, GAO Jin-wei, JIA Xu-ying, SHAO Peng, ZHOU Wen-liCorresponding Author

（Tianjin Key Lab of Aqua-Ecology and Aquaculture, College of Fisheries, Tianjin Agricultural University, Tianjin 300384, China）

With the expansion of the scale of the cultivation of sea cucumber, many problems in the cultivation gradually become prominent. In the process of sea cucumber cultivation, pollutants such as residual bait excrement and other pollutants produce toxic ammonia nitrogen and nitrite, which can lead to the decline of water quality and seriously reduce the yield of sea cucumber. The disease caused by pathogenic microorganism directly threatens the economic benefit of aquaculture. Despite the strengthening of fishery resources and environmental protection, the disease of sea cucumber breeding still occurs frequently, and the disease is mainly traced back to microorganisms. Therefore, this paper summarized the formation and host regulation of intestinal microorganisms of sea cucumber, and introduced the early colonization, function and regulation of intestinal microorganisms, providing a reference for understanding the formation mechanism of intestinal microorganisms of sea cucumber as well as the prevention and treatment of related diseases.

sea cucumber; pathogenic microorganisms; disease; function

S968.9

A

1008-5394（2019）02-0084-05

10.19640/j.cnki.jtau.2019.02.019

2019－02－26

天津市生物饵料校企协同创新重点实验室建设（17PTSYJC00170）；天津市企业科技特派员项目（18JCTPJC67400）；天津市现代农业

产业技术体系创新团队建设资金（ITTFRS2017005）

柴英辉（1991-），男，硕士在读，主要从事微藻资源化和水生态学研究。E-mail：949201278@qq.com。

周文礼（1969-），男，研究员，博士，主要从事微藻资源化利用与生态学研究。E-mail：wenlizhou@tjau.edu.cn。

责任编辑：张爱婷