乳酸菌对鱼类生长影响研究进展

2022-02-25李瑞王劲松高梦祥

水产学杂志 2022年1期

李瑞，王劲松，高梦祥

（1.长江大学生命科学学院，湖北荆州 434025；2.荆楚理工学院生物工程学院，湖北荆门 448000）

为了满足人们对水产品需求的增加，水产养殖业必须从粗放型向半集约型和集约型转变[2]，提高增长率[1]，新型养殖系统不可避免地会伴随一些新的问题，如疾病的爆发以及水环境的恶化，大量用抗生素或化学疗法来抑制疾病。抗生素不仅杀死致病菌，还能杀死胃肠道系统中的有益微生物群，导致病原菌产生耐药性和药物残留及环境危害等[3]。许多国家禁用抗生素后，开发动物抗生素生长促进剂替代品一直是全球动物营养领域的关注焦点[4,5]。

乳酸菌是一类能从发酵性碳水化合物中产生大量乳酸的革兰氏阳性细菌的统称，对宿主具有多种有益作用，如可增强鱼类机体免疫力，帮助肠道消化、抵御病原菌，改善水质，促进生长和繁殖，具有极大的抗生素替代品潜力[6]，近年来受到鱼类养殖业的特别关注。目前在自然界已发现的这类菌至少有23 个属，包括乳杆菌属Lactobacillus、肉食杆菌属Carnobacterium、链球菌属Streptococcus、肠球菌属Enterococcus、乳球菌属Lactococcus、明串珠菌属Leuconostoc、片球菌属Pediococcus、气球菌属Aerococcus、奇异菌Atopobium、漫游球菌属Vagococcus、利斯特氏菌属Listeria、芽孢乳杆菌属Sporolactobacillus、芽孢杆菌属Bacillus 中的少数种、环丝菌属Brochothix、丹毒丝菌属Erysipelothrix、孪生菌属Gemella、糖球菌属Saccharococcus、四联球菌属Tetragenococcus、酒球菌属Oenococcus、乳球形菌属Lactosphaera、营养缺陷菌属Abiotrophia、魏斯氏菌属Weisella 和双歧杆菌属Bifidobacterium。其中乳杆菌属和双歧杆菌属与机体的保健密切相关；治疗和预防人和动物的某些肠道疾病也与这两个菌属中的许多菌有关[9]。在水产养殖中，乳酸菌的这种益生作用尤为重要，了解乳酸菌对鱼类生长的影响十分必要[10,11]。乳酸菌被认为是安全的添加剂，添加乳酸菌促进鱼类的健康具有广阔的应用前景[12,13]。但关于乳酸菌促鱼类生长机理的研究甚少，大部分研究集中在鱼类的免疫调节中。本文主要介绍乳酸菌在改善鱼类肠道结构、促进机体代谢及生长、净化水质等作用，重点阐述促鱼类生长的作用机理。

1 乳酸菌对鱼类生长的影响

1.1 改善鱼类肠道结构

乳酸菌能加强肠上皮结构[14,15]。Falcinelli 等[16]研究表明，添加鼠李糖乳杆菌Lactobacillus rhamnosus 会增加斑马鱼Brachydanio rerio var 肠道微绒毛和肠上皮细胞长度，减少肠上皮中脂质滴的大小，还提高了厚壁菌门序列的丰度，减少了放线菌的丰度。肠道微生物组诱导参与胆固醇和甘油三酸酯代谢的基因（fit2、agpat4、dgat2、mgll、hnf4α、scap 和cck），降低了体内总胆固醇和甘油三酸酯含量，增加脂肪酸水平，使斑马鱼生长加快。大量研究表明，乳酸菌能与鱼类病原菌产生竞争性粘附，分泌拮抗化合物抑制病原菌的生长[17]。

1.2 增强鱼类的免疫调节

乳酸菌增强鱼类免疫调节主要是通过抑制病原体的生长及作为免疫刺激剂[18]，通过显著提高细胞和体液免疫反应，如肾巨噬细胞吞噬活性、过氧化物酶和溶菌酶活性以及总蛋白水平。Balcazar 等[19]的研究也说明了这一点，在第二周结束时与对照组比较，所有乳酸菌处理组的头部、肾脏中白细胞的吞噬活性和血清中的替代补体活性均显著提高。另一项研究也表明，添加乳酸菌不同程度地激活了大菱鲆Scophthalmus maximus 白细胞呼吸爆发活性和吞噬作用[20]。在喂食短小芽孢杆菌Bacillus pumilus Meyer and Gottheil 和克劳氏芽孢杆菌Bacillus clausii 的石斑鱼Epinephelus spp.中观察到，血清IgM 水平、血清溶菌酶活性和吞噬活性显著提高[21]。Giri 等[22]研究发现，枯草芽孢杆菌Bacillus subtilis、铜绿假单胞菌Pseudomonas aeruginosa 和植物乳杆菌Lactobacillus plantarum 组合饲料组显著提高了巨噬细胞的血清溶菌酶活性和替代补体途径（ACP）活性、吞噬作用和呼吸爆发活性，处理组鱼血清IgM水平显著高于对照组，显著提高嗜水气单胞菌Aeromonas hydrophila 攻击后的存活率。这些乳酸菌补充剂可以影响鱼类的免疫应答效果，如调节超氧化物歧化酶（SOD）和溶菌酶的表达、免疫球蛋白（IG）的分泌、补体的激活，以及改善呼吸爆发活性（RBA）、吞噬活性和细胞因子谱。Wang 等[23]向饲料中添加粪肠球菌Enterococcus faecalis，使尼罗罗非鱼Oreochromis niloticus 补体组分的含量、过氧化物酶（MPO）活性和血液吞噬细胞的呼吸爆发活性提高。

1.3 促进鱼类新陈代谢与生长

将乳酸菌添加到饲料后，乳酸菌迅速进入鱼类的肠道定植、繁殖及代谢，产生维生素、氨基酸、营养物质、促生长因子、生长激素等代谢产物，促进鱼类的生长及增重[24,25]。乳酸菌还会有效提高多种消化酶活性。如Cuneyt 等[26]的报告显示，商业乳杆菌属可使金头鲷Sparus aurata 的胰腺和肠道酶的比活显著提高；鱼存活率比对照组高出13%～105%，比增长率高2%～9%。Enferadi 等[27]发现：益生菌组与对照组虹鳟ncorhynchus mykiss 的肠道形态无明显差异，植物乳杆菌添加量较低组中酸性蛋白酶活性较高，碱性蛋白酶活性和胰蛋白酶活性更高。乳杆菌也可最大程度地产淀粉酶[28]。高活性淀粉酶、碱性蛋白酶、胰蛋白酶更有利于水解肠道中多种蛋白质，促进机体生长[29]。

1.4 净化水质，维持水环境稳定

养殖密度较高的水产养殖水体沉积很多排泄物、饵料、动植物残体等，水体滋生有害菌，产生有害物质。乳酸菌自身代谢产生大量有机酸，如乙酸、乳酸、丙酸、丁酸等抑制养殖鱼类病原体，降解水体中的氨氮、亚硝酸盐、硫化氢等有害物质[30]，乳酸菌使氨氮和亚硝酸盐部分转化为硝酸盐，降低氨氮（NH3-N）和亚硝酸盐氮（NO2-N）水平（浓度为105cfu·mL-1）[31]，去除水中的金属离子与黄曲霉毒素B1，以达到净化水质，维持水环境稳定的目的[32]。据报道，鼠李糖乳杆菌GG（ATCC 53103）和鼠李糖乳杆菌LC-705（DSM 7061）可以有效从溶液中去除黄曲霉毒素B1；温度（4～37℃）和pH（2～10）的变化对黄曲霉毒素B1 的释放量没有明显影响[33]。

2 乳酸菌促鱼类生长机理研究进展

许多研究均已表明，膳食补充乳酸菌积极改变了鱼类的胃肠道微生物群，使鱼体的生长增强，脂质代谢改善，免疫反应增强，肠道的生理状态更佳，饲料利用效率更高等[34]。这对水产养殖非常必要[35]。

2.1 改善营养吸收

补充乳酸菌的主要目的是通过改善营养吸收来提高鱼类生长指数、健康状况和对病原体的抵抗力。生长的提高可能是饮食营养同化作用的结果。微生物群落产生的代谢底物如维生素[36]或消化酶[37]的可用性增加。也有研究指出：乳酸菌在水产养殖生物中的主要作用方式和有益作用之一是补充消化酶，提高生长和饲料效率，抑制肠道疾病和改善肠道功能来增强宿主的营养[38]。它们在消化系统中产生不同的酶，如淀粉酶、脂肪酶、蛋白酶和碱性磷酸酶，或刺激宿主的消化系统产生这些酶[39]。乳酸菌还可增强肠道上皮的结构，提供更大的吸收表面积改善营养吸收[40,41]。Yamashita 等[42]研究表明，向饲料中添加植物乳杆菌增加了尼罗罗非鱼肠道中乳酸菌的含量，减少弧菌科的数量，显著提高了增重率、比生长速率和饲料利用效率。牙鲆[43]Paralichthys olivaceus、露斯塔野鲮Labeo rohita[44]和虹鳟Oncorhynchus mykiss[45]等也有类似发现。

值得注意的是，乳酸菌对不同鱼类的生长性能具有积极作用，还有一些报告却表明，乳酸菌作为生长促进剂没有明显的变化，如地衣芽孢杆菌Bacillus licheniformis 和枯草芽孢杆菌对虹鳟[46]、斑点叉尾Ictalurus punctatus[47]和罗非鱼[48]的生长速率没有显著促进作用。究其原因，可能是鱼的种类、乳酸菌种类、乳酸菌的菌龄、添加剂量等条件使结果产生重大差异[49]。不同添加方式、剂量及施喂周期也影响乳酸菌菌株与宿主的相互作用[49]。因此，必须进一步优化乳酸菌的添加方式、施喂剂量和施喂周期。

2.2 调节食欲内分泌

迄今为止，关于益生菌对鱼类食欲内分泌调节的信息很少[50]。胃肠道是主要的内分泌器官，它产生和释放各种信使，以旁分泌或内分泌的方式发挥作用，协调消化和调节代谢动态平衡。这些激素特别在饥饿、食物摄取、饱腹感和能量平衡中发挥作用[51,52]。在哺乳动物和硬骨鱼类中，补充乳酸菌使胃肠道中相关的微生物发生变化，调节食欲控制相关基因的表达。神经肽Y（NPY）被认为是鱼类中最强的促食欲分子，作用于Y1 受体加速结肠的转运，增强食欲[53]。它的表达受肠道微生物区系变化的影响[54]。鱼类肠道的糖苷水解酶酶谱有限，但添加乳酸菌会使肠道微生物区系合成大量这些酶，将不可消化的碳水化合物发酵成短链脂肪酸[55]。这些短链脂肪酸通过GPR41 作用于表达酪酪肽（PYY）的L 细胞[56]，促进PYY 分泌并作用于Y2 受体，可以达到抑制结肠转运的目的[57]，产生饱腹感，降低饥饿和能量摄入。另有研究报道，鼠李糖乳杆菌通过上调瘦素来降低斑马鱼的食欲[50]。瘦素通过上调厌食信号，如黑素皮质素受体4（MC4R）和下调促食欲信号如神经肽Y（NPY）和大麻素受体1（CB1）来减少食物摄入量[58,59]。敲除MC4R 直接促进脂质摄取和甘油三酯合成，导致肥胖。CB1 也是一种食欲信号，负责摄食和体质量增加[60]。CB1 受体刺激造脂转录因子SREBP-1C，增加斑马鱼的肝脏脂质积累，并增加从头合成的脂肪酸[61]。Falcinelli 等[62]也有类似报道，食物中鼠李糖乳杆菌使致癌基因的转录减少，致厌食基因的上调以及涉及胆固醇和甘油三酸酯（TAG）代谢基因的转录减少，胆固醇和甘油三酸酯的含量降低，同时还降低了HFD-P 中的NESFATIN-1 肽，减弱了以HFD-P 和MFD-P 喂养的斑马鱼体质量增加。但有趣的是，Giorgia 等[63]研究报道，鼠李糖乳杆菌可以促进尼罗罗非鱼增食信号，如神经肽Y（NPY）和促生长激素释放肽（GHRELIN）的上调和瘦素的减少，从而增强食欲。

2.3 刺激生长和发育基因

鱼的增生和肥大性肌肉生长受几种遗传因素控制，例如生长激素（GH）、胰岛素样生长因子（IGFs）和肌生长抑制素（MSTN）[64]。这些激素发出的信号会影响肌肉纤维的合成代谢和分解代谢过程之间的平衡；当蛋白质合成胜过降解时，就会生长[65]。GH 诱导肌细胞增殖和肌肉增生及肥大来刺激鱼的肌肉生长[66]。在肌肉中，IGF 直接刺激肌肉细胞增殖、分化和肥大，抑制肌肉萎缩。鱼的生长与肌肉的生长呈正相关，主要受GH/IGF 系统调节[67,68]。Qin 等[69]研究也发现，干酪乳杆菌BL23 处理的斑马鱼中，生长调节基因igf1、igf2、igfbp2a、igfbp2b 和igfals 被上调。通过RT-qPCR 在干酪乳杆菌BL23 处理组中观察到igf1 mRNA 拥有更高水平的转录。在饲料中补充鼠李糖乳杆菌，小丑鱼Amphiprioninae的体质量增加，涉及生长和发育的因子（IGFI 和IGFII、MSTN、过氧化物酶体增殖物激活的受体α和β、维生素D 受体α 和视黄酸受体γ）的基因表达显著增加[70]。

3 乳酸菌在鱼类养殖中的应用

在高密度集约化养殖中，鱼类极易感染病原体而死亡，大量使用抗生素造成菌株的耐药性以及药物残留等问题，因此人们极力寻求能够替代抗生素的产品。微生态制剂具有生态环保、成本低、适应性广等优点，得到大力开发（表1）。由表1 可知，近年的研究主要集中在乳酸菌对鱼类生长性能、存活率、鱼肠道消化酶活性、抗病性和免疫活性等方面。