益生菌在现代水产养殖中的应用研究进展

吴豪益 林 晨 傅玲琳 周志刚 王彦波*

(1.浙江工商大学食品与生物工程学院，浙江杭州310035；2.中国农业科学院饲料研究所，北京100081)

据统计，我国2018年水产养殖总产量超过5 000万吨，占水产品总产量的比重达78%以上，是世界上唯一养殖水产品总量超过捕捞总量的主要渔业国家。但是与现代水产养殖业的绿色发展要求相比，依然面临着环境污染、水质恶化、抗生素等化学药物的残留和滥用问题，引起了广泛的关注。益生菌因其独特的生理功能，已经广泛应用于水产养殖中，在改善饲料风味和适口性、提高饲料转化率、促进水产动物生长、增强机体免疫力和抗病力、改善水质和拮抗致病菌等方面均取得了显著的研究效果，具有广阔的发展前景。我国饲用益生菌的研究和开发较晚，技术水平、标准建设和产业化发展与国外发达国家比较仍有一定差距，但是经过近几年的快速发展，我国针对现代水产养殖的饲用益生菌研发也有了长足的进步，特别是2019年发布了团体标准水产动物饲用乳酸菌筛选标准（T/CSWSL 016—2019）、水产动物饲用芽孢杆菌筛选标准（T/CSWSL 017—2019）等，为水产养殖益生菌领域的发展提供了支撑和依据，引领本领域未来可持续高质量规范发展。

1 益生菌在现代水产养殖中的应用

1.1 益生菌在鱼类养殖中的应用

益生菌在鱼类养殖中对鱼类健康具有积极作用，因此被广泛应用（表1）。Serra等[1]以欧洲鲈鱼为研究对象，在以植物性为主的饲料中添加以Bacillus subtil⁃is和Bacillus cereus为主的芽孢杆菌类益生菌，结果发现益生菌改变了欧洲鲈鱼肠道菌群，增强了其对非淀粉多糖类碳水化合物消化率，提高了其生长性能，进一步分析表明，益生菌通过产生碳水化合物活性酶发挥其生理活性，这为后续机制探究奠定了基础。除Bacil⁃lus subtilis 和Bacillus cereus 外，芽 孢 杆 菌Bacillus velezensis同样对石斑鱼生长性能具有积极作用，并且通过提高血清磷酸酶活性来增强石斑鱼免疫系统，提高了其感染弧菌病后的生存率[2]。此外，益生菌Alii⁃vibrio 也可提高海参斑的生长性能，并且通过促进免疫系统成熟提高对黏液分枝杆菌的抵抗力，降低海参斑死亡率[3]。与此同时，饲料中添加益生菌Paenibacil⁃lus polymyxa可以通过上调罗非鱼肠道组织中的相关基因促进黏液蛋白形成，进而增强胃肠道屏障消除病原体的能力，此外，研究发现借助于调节胰岛素样生长因子（Insulin like growth factor, IGF）1 和2 基因的表达，益生菌的添加还可以影响罗非鱼免疫系统[4]。

表1 益生菌在鱼类养殖中的应用

1.2 益生菌在虾蟹养殖中的应用

益生菌在虾蟹养殖中也有较为广泛的应用，并取得了显著的效果（表2）。以益生菌在虾类中应用研究为例，研究发现，在罗氏沼虾饲料中添加益生菌Bacil⁃lus pumilus，可显著提高细胞吞噬活性、呼吸爆发活性，以及过氧化氢酶、一氧化氮合酶、淀粉酶和酸性磷酸酶活性，改善虾的生长，提高虾增重率和比生长率[5]。饲用益生菌Enterococcus faecium（E. faecium）和Lac⁃tobacillus plantarum（L. plantarum）应用于太平洋白虾上的实验得到了同样的结果，深入研究发现两种益生菌通过刺激相关基因的表达，改善了太平洋白虾的免疫力，提高了生存率[6]。此外，L. plantarum 还被证实具有提高太平洋对虾消化酶（脂肪酶、淀粉酶和胃蛋白酶）活性，改善生长性能的作用[7]。

表2 益生菌在虾蟹养殖中的应用

1.3 益生菌在其他水产养殖中的应用

益生菌在鲍、牡蛎、扇贝等水产养殖中也有应用，参见表3，尽管益生菌和水产养殖动物存在种类上的差异，但是应用效果显著。益生菌Lactobacillus pen⁃tosus在皱纹盘鲍中的应用研究结果表明，适量的益生菌可以提高鲍鱼对饵料的摄入量，也可改善鲍鱼非特异性免疫，增强机体的免疫[11]。同样，益生菌Bacillus的添加能够显著提高太平洋牡蛎对弧菌的抗性[12]，以海湾扇贝为研究对象的实验得到了类似的结果，益生菌提高了扇贝对溶珊瑚弧菌的抗性[13]。

表3 益生菌在其他水产养殖中的应用

2 益生菌在现代水产养殖中的作用机制

2.1 益生菌在水产动物营养与饲料中的作用机制

研究表明，益生菌借助于水产动物饲料，通过肠道黏附定植、免疫系统增强和肠道菌群优化发挥其生理功能，在改善饲料利用率、促进机体生长以及提高水产品品质等方面均有显著的应用效果，在食品安全广泛关注的今天具有广阔的研究和应用前景（图1）。益生菌进入水产动物消化道黏附和定植，从而对关键结合位点以及营养物质进行竞争，以达到抑制病原微生物的黏附定植，增强水产动物抗病力的效果[15]。研究发现，乳酸杆菌可降低鲑鱼气单胞菌、鱼肉杆菌和鱼翅杆菌对虹鳟鱼肠道的黏附作用[16]。而在最近的研究中分离出的短小芽孢杆菌菌株A97，具有在低pH值及高浓度胆汁条件下存活及黏附定植肠上皮细胞的能力，具有成为优良益生菌的潜力[17]。定植后的益生菌可以显著提高尼罗罗非鱼体内白细胞水平、红细胞脆性及呼吸爆发活性，通过诱导先天免疫分子提高了机体对嗜水链球菌攻击的抵抗力[18]，在南亚野鲮上的研究同样得到了证实[19]。此外益生菌还可影响免疫系统基因的表达。Amin 等[20]在以斑马鱼为模型的系统中发现益生菌可诱导先天免疫基因表达，进而改善机体免疫系统并可显著提高对嗜水气单胞菌和海豚链球菌的抵抗力，但目前详细的分子机制仍需要进一步研究。近年来的研究逐步证实了肠道菌群与水产动物健康之间的关联性，益生菌介导的水产动物肠道菌群优化逐渐成为研究的热点。研究发现，借助于微生物的群体感应（Quorum sensing, QS）和群体猝灭（Quorum quenching, QQ）现象[21]，为益生菌关联的肠道菌群优化提供了新的思路。Zhang等[22]的研究表明芽孢杆菌QSI-1 可通过减少群体感应信号分子AHL的积累，抑制鱼类病原体嗜水气单胞菌的毒力因子产生和生物膜形成，最终显著改善了鱼的存活率。由此可见，益生菌可通过群体猝灭有效发挥生物控制病原菌的作用，有望成为水产养殖中抗生素的替代物[23]。此外，通过控制铁等关键营养素的浓度，利用菌群间对营养素的竞争抑制肠道病原菌同样具有显著的效果。铁载体作为一种低分子量铁螯合剂，能利用沉淀的铁元素或从铁配合物中获取铁元素用于细菌的生长，因此可以通过饵料中添加可以分泌铁载体的益生菌抑制水产动物肠道中的病原菌[24]。

图1 益生菌在水产动物营养中的作用机制

2.2 益生菌在养殖水体中的作用机制

养鱼就是养水，水体的优劣对于水产养殖的成败具有决定性的影响。目前旨在改善水产养殖水体水质的益生菌及其制剂已经广泛应用并取得了显著的效果[25]，随着人们环境保护意识的提升和对高品质水产品需求的快速增长，益生菌关联的养殖水体中的微生态区系研究就显得尤为重要。研究表明，益生菌借助于促进有益浮游植物的生长，改善水产养殖水体的水质[26-27]。Betina 等[28]报道了益生菌显著影响微藻群落结构（microalgae community structure，MCSs），研究通过聚类分析的方法揭示了益生菌可以改善微藻群落中的有益微藻演替和分布，抑制了有害藻类的生长，最终保障了虾类水产养殖水体中MCSs 的稳定。深入探究发现，益生菌通过分解水体中的有机物，调节水体中氮和磷的浓度进而影响氨、亚硝酸盐和硫化氢的含量。不同的益生菌具有不同的改善养殖水质的能力，研究发现革兰氏阳性益生菌（如芽孢杆菌）在将有机物转化为CO2方面有更显著的效果[29]。在Chumpol等[30]的研究中同样证实了水体中添加益生菌球形红细菌，显著降低了水体中NH4+、NO2-、NO3-的含量并改善了水质。同时在养殖水体中保持适宜的益生菌水平，也可以有效控制生产季节养殖水体中的颗粒有机碳[31]。此外，益生菌还可以显著改善养殖水体温度、pH 值、溶解氧、氨和硫化氢等参数[24，32]，影响养殖底质沉积物中的异养细菌数量和叶绿素浓度[6，16]。

3 益生菌在现代水产养殖中的应用展望

在过去的几十年中，益生菌及其制剂在水产养殖中逐步得以应用并取得了显著效果，为行业的可持续发展提供了支撑。但是随着研究的深入，结合益生菌在现代水产养殖中的应用实践，未来益生菌的研发主要集中在以下几个方面。一是不同种类的益生菌菌株在不同环境中生存、定植、增殖和发挥功能的最佳条件仍需深入优化；二是益生菌与水产动物互作的详细分子作用机制和调控网络仍待进一步深入研究；三是复合益生菌内小生境的微生态区系以及益生菌与宿主菌群之间的信息交流机制还需要持续探究；四是针对水产养殖用益生菌的菌种特性，相对廉价的发酵基质原料依然需要进一步拓展。随着现代分析手段的进步和科学技术的发展，在水产养殖产业中益生菌必将得以更为广泛的研究和应用。