微生态制剂在水产养殖中的应用

贾新颖, 徐晨曦,孙伟彬,陈秀玲,肖国娟

(1.河北科技师范学院,海洋资源与环境学院,秦皇岛066000;2.秦皇岛北戴河新区水产技术推广站 秦皇岛 0666003;3.河北省水产技术推广总站 河北 石家庄 050035)

随着水产养殖业的迅速发展,高密度养殖等增加了养殖动物患病风险,也影响了水产品品质和生产效率[1-2]。Mcdermott等[3]研究发现,人工养殖水体中病原菌对多种药物都产生了非特异性抗性基因(Antibiotics resistancegenes,ARGS)。多次引起人和动物的沙门氏菌病的病原菌—鼠伤害沙门氏菌(Salmonellatyphimurium)DT104,经流行病学和分子生物学等相关研究证实可能源于远东的水产养殖区域[4]。我国药监机构曾公布,用于人体抗菌消炎的喹诺酮类药物将近一半失效,被称为抗生素“最后一道防线”的万古霉素近几年也出现了耐药性病原菌,水产养殖也不可避免病原菌耐药性产生[5]。Penders等[6]在荷兰南部鲶鱼和鳗鱼养殖场分离出的大多数气单胞菌对氨苄西林和土霉素耐药性发生率100%。在已报道检测出耐药基因的水产品种类众多,比如鳖、鲤、鲫、沙丁鱼、鲶鱼和虾等,连观赏鱼也检测出耐药基因[7]。水产动物的代谢产物及残饵会加剧患病几率,养殖人员一般采用换水、减少饲料投喂次数和投放消毒杀菌类药物等方法应对,但收效甚微[8]。因此,研发净化水质、提高水产动物生长性能和免疫力的绿色环保型产品成为水产养殖领域中热点。

关于“微生态制剂”这个概念,我国最早于1990年微生态学会学术研讨会议提出,是指从动物或者大自然中分离出来,经过扩大培养繁殖后,形成含有大量活微生物制剂[9]。微生态制剂最早在我国水产养殖应用是添加到鲤鱼饲料,将从鲤肠道分离出来的节杆菌和干酪乳杆菌添加到鲤鱼饲料中,试验结果证实添加有益菌不仅生长速度快于对照组,抗病能力也显著提升[10]。

1 水产中常用微生态制剂的种类和特点

微生态制剂一般分为三大类,即益生菌、益生元和合生元,常见剂型为液态(菌体含量一般≥3×108CFU/mL),还有粉末状和固体状等其他剂型。在水产养殖中常应用的益生菌类型为芽孢杆菌类(枯草芽孢杆菌、地衣芽孢杆菌和蜡样芽孢杆菌)、光合细菌类(荚膜红假单胞菌、沼泽红假单胞菌)、硝化细菌类和乳酸菌类(乳酸乳杆菌、双歧杆菌、嗜酸乳杆菌)等[11]。这些微生态制剂的应用,为实现绿色可持续、生态友好的水产养殖业发挥了重要作用。

1.1 益生菌制剂

1.1.1 芽孢杆菌类制剂 芽孢杆菌在自然界分布广泛,在土壤、空气、水以及动物肠道等都存在,有良好的生物活性,具有抗氧化、耐酸碱和耐高温等优点[12-14]。芽孢杆菌产生孢子能力很强,存活率和存活时间都有优势,在水产上应用比较广泛。芽孢杆菌加入养殖水体后迅速繁殖占据优势,分泌高活性的胞外酶(蛋白酶、脂肪酶、淀粉酶等),可以降解并吸收水体中残饵、粪便和其他有毒有机物等,起到净化水质作用;分泌的细菌素(如枯草芽孢杆菌的枯草杆菌素,地衣芽孢杆菌的杆菌肽和地衣素等),能抑制病原微生物繁殖,降低水产生物患病几率;提供的多种营养物质,可以协助水产动物消化吸收营养物质,提高饲料转化率,降低饵料系数[15]。

1.1.3 硝化细菌类制剂 大部分硝化细菌类属于自养型细菌,分为两个属,即亚硝化细菌属和硝化细菌属,通过利用外界环境中物质氧化所放出的能量合成有机物[18]。在养殖水体溶氧充足的前提下,硝化细菌通过硝化反应分解水中的氨氮和亚硝酸盐,为浮游生物的生长提供有效氮源,促进有益藻类繁殖,为水生动物提供优质的生长环境[19]。

1.1.4 乳酸菌类制剂 乳酸菌是指分解碳水化合物产生大量乳酸一类细菌的统称,在酸性条件下依旧能存活得很好,可在水产动物肠道内长期定殖生存[20]。乳酸菌的代谢产物可以降低养殖水体pH值,提高亚硝酸盐还原酶活性,加快分解亚硝酸盐,降低对水产动物毒害作用。乳酸菌利用碳水化合物发酵产生乳酸,降低水产动物肠道pH值,增加有益菌群的优势,改善胃肠道功能和维持菌群动态平衡[21-22]。

1.1.5 复合型益生菌制剂 复合微生态制剂指多种有益菌复合而成的生物制剂,以EM菌为例,由乳酸菌、光合细菌和酵母菌等多种有益菌复合而成。虽单一有益菌可以根据菌固有功效能针对性解决问题,但是实际应用中,需要同时具备净化水质、增加机体抗病性、促生长和改善肠道菌群等多种功能,单一菌群是不可能独立完成的。

1.2 益生元制剂

益生元为非消化性物质,包括菊粉、乳果糖、双歧因子、异麦芽糖和纤维素等,可以作为水产动物肠道有益菌的“营养培养基”,刺激水产动物肠道内有益菌繁殖,提高有益菌活性,抑制有害菌繁殖。益生元还可以提高水产动物各种酶的活性,比如脂肪酶、蛋白酶和淀粉酶等,进而提高水产动物对饲料营养物质利用率。

1.3 合生元制剂

合生元这个词,在1995年首次被提出,是指益生菌和益生元结合使用的生物制剂,并不是简单的两种产品叠加使用,而是一个质的改变,可以同时发挥两者的作用。合生元通过提高活性微生物补充剂在水产动物肠道的存活率和定殖率,对机体产生有益作用。

2 微生态制剂的作用机制

在水产养殖中,微生态制剂被定义为改善宿主微生物区系,提高饲料利用率和宿主免疫力,改善水环境质量的生物制剂。微生态制剂在水产养殖中应用主要分为两大类,饲料添加剂与水质改良剂,主要作用是改善水质,维持水生动物肠道菌群平衡,提高饲料转化率和水生动物免疫功能等。

2.1 在饲料添加剂方面

2.1.1 维持水产动物肠道菌群平衡 健康的水产动物肠道菌群以厌氧菌为主,需氧菌仅占1%左右,其种类和数量处于动态平衡状态。如果水产动物肠道菌群平衡被打破,氧分子浓度增加,就会导致需氧菌增多,不利于厌氧菌生存[23]。微生态制剂中的好氧益生菌,通过消耗肠道内氧气,降低氧分子浓度,使厌氧菌群重新占据优势。微生态制剂生长代谢过程中分泌的乙酸、过氧化氢和其他活性物质,不仅能抑制病原菌生长繁殖,还能维持水产动物肠道菌群动态平衡[24]。

2.1.2 提高饵料转化率 微生态制剂通过分泌或诱导水产养殖动物分泌多种胞外酶,比如淀粉酶、脂肪酶、蛋白酶、纤维素酶等,增强水产动物代谢和增加营养物质的可用性[25]。比如地衣芽孢杆菌富含多种营养物质和分泌多种胞外酶,可以提高水产动物营养物质吸收能力和饲料转化率[26]。

2.1.3 提高水产动物免疫功能 微生态制剂通过增强B细胞和巨噬细胞活性,刺激机体免疫力,充分调动机体自身免疫防御机制[27]。比如乳酸菌分泌的抗菌分子,抑制有害菌繁殖,有效降低了水产动物被病原菌侵害几率。在凡纳滨对虾饲料中添加乳酸菌,能显著提高对副溶血性弧菌抗病力[28]。复合微生态制剂产生的活性因子可以刺激水产动物肠黏膜淋巴组织,增强酶的活性[29]。

2.2 在水质调控方面

2.2.1 分解亚硝酸盐氮等有害物质 在高密度养殖条件下,水体易积攒大量粪便、残饵和动植物遗体,在腐化细菌催化下,就会分解产生大量有害物质和气体,比如氨氮、亚硝酸盐氮、氨气和硫化氢等物质,导致水质恶化和增加水产动物患病几率[30]。微生态制剂添加到养殖水体中可以分解水体中有害物质,对水体中的有害菌及有害藻类的繁殖有很好抑制作用,达到净化水质和降低水产动物患病几率作用[31]。赵留群等[32]在刺参幼参养殖水体分别添加芽孢杆菌、EM菌和海洋红酵母,研究对水质的作用,其中芽孢杆菌和EM菌能分解水体中氨氮及亚硝酸盐。

2.2.2 提高水体溶解氧含量 当水产养殖的密度超过水体承受范围,养殖水体一直处于不流动状态,就会出现水体富营养化现象,浮游植物大量繁殖,溶氧量急剧下降,导致水产动物缺氧甚至死亡和水质持续恶化。微生态制剂通过利用氨氮、亚硝酸盐氮、硫化物等有害物质,转化为无毒的硝酸盐被有益藻类利用,藻类又能产生溶解氧供水产动物利用,就会构成良好的水循环体制,达到改善水质作用[33]。刘英霞等[34]在海水养虾池添加EM菌,研究对水质的影响,结果显示不仅可以增加水体溶解氧含量,还能使其在一定时间内维持在一个较好的浓度范围。

3 不同微生态制剂在水产养殖中的应用

3.1 芽孢杆菌类制剂在水产养殖中的应用

芽孢杆菌不仅可以提高水产养殖动物生长性能、提高抗氧化酶活性和减轻应激反应,还可以改善养殖水质和抑制病原微生物繁殖[35]。在水产养殖中常用的芽孢杆菌为枯草芽孢杆菌、地衣芽孢杆菌和蜡样芽孢杆菌等[36-37]。姚海静[38]研究枯草芽孢杆菌对牙鲆幼鱼酶活性、组织结构、肠道菌群结构及免疫基因表达的影响,结果证实在牙鲆幼鱼饲料添加枯草芽孢杆菌可以提高肝脏相关酶活力,还可以激活脾脏中免疫基因的上调表达。么宝兰等[39]研究地衣芽孢杆菌对鲫鱼免疫能力、抗氧化能力、肝和肠组织结构的影响,试验结果表明添加地衣芽孢杆菌不仅可以提高鲫鱼抗氧化能力和免疫能力,还可以提高鲫鱼肠绒毛高度及肌肉层厚度,改善肝脏组织结构损伤。

3.2 光合细菌类制剂在水产养殖中的应用

光合细菌利用硫化物、氨氮等进行光合作用,降解水体中有害物质,分解小分子有机物质,起到净化水质作用[40]。在水产上常用的光合细菌为绿菌、绿曲菌、红螺菌等。邱宏端等[41]取4株红螺菌(胶质红假单胞菌H1、球形红假单胞菌PSB-3、荚膜红假单胞菌PSB-2和沼泽红假单胞菌H10等)研究对水产常见病原菌的抑菌能力,结果表明红螺菌对20多株病原菌有抑制作用,其中荚膜红假单胞菌PSB-2抑菌活性最强。姜松等[17]添加光合细菌于糙海参幼苗培育水体中,结果发现试验组糙海参幼苗质量和成活率显著高于对照组,糙海参苗消化道的纤维素酶、蛋白酶和淀粉酶活性也得到了显著提高。

3.3 硝化细菌类制剂在水产养殖中的应用

硝化细菌通过硝化反应将养殖水体中亚硝酸盐转化为无害的硝酸氮,为浮游植物提供氮源,使水体中菌藻平衡,起到净化水质的作用。刘冉等[42]研究硝化细菌制剂对海参养殖水质的净化作用,结果表明投入硝化细菌制剂对养殖系统水质有明显的净化效果。李长玲等[43]在罗非鱼鱼苗培育水体中加入硝化细菌,证实硝化细菌不仅能净化水质还能增强罗非鱼鱼苗抗病能力。

3.4 乳酸菌类制剂在水产养殖中的应用

乳酸菌通过分泌有机酸和细菌素,降低肠道pH值和提高亚硝酸盐还原酶活性,起到调节肠道菌群和净化水质作用[44]。林艾影等[45]在饲料添加乳酸菌研究对军曹鱼幼鱼生长、消化酶和免疫酶活性的影响,结果发现在饲料添加乳酸菌显著提高军曹鱼的非特异性免疫力和生长性能,添加量为3.0×108cfu/g效果最好。郭东[46]从半滑舌鳎肠道分离出三株乳酸菌,研究其对多种水产病害菌抑菌作用以及抗氧化还原能力,试验结果显示对多数病害菌有较好抑菌效果和能显著提高饲料抗脂质过氧化能力。

3.5 复合微生制剂在水产养殖中的应用

4 水产微生态制剂存在的问题

微生态制剂在我国水产中应用越来越广泛,特别是在研究益生菌之间配伍优化以及对水产养殖动物的生长性能等方面的应用受到广泛重视。但目前微生态制剂存在诸多不足,比如产品质量参差不齐、基础理论不明确、生产过程和使用方法不严谨等问题。

4.1 产品质量参差不齐

由于微生态制剂属于水产非药品,没有相关证书也可以流通使用,市场监管宽松,不少厂家为了谋取暴利偷工减料,出现标注成分不明确和产品质量不稳定等问题。而且微生态制剂在水产上应用时间相对其他领域较短,技术不是很成熟。

4.2 基础理论研究有待深入

益生菌发挥作用的条件、途径和方法研究不明确;微生态制剂作用机理缺乏深层次研究;有的研发培养出的菌株,在体外试验效果很好,但是应用到水产动物身上效果较差;菌株的有限性和稳定性缺乏严格检验。

4.3 生产过程和使用方法粗放

微生态制剂易受环境因素(温度、pH值、溶解氧等)的影响,活菌的数目不能被保障。使用微生态制剂产品的水产养殖从业者大多文化水平较低,对微生态制剂了解甚少,不能正确规范使用。有的甚至将微生态制剂和消毒剂等一起使用,导致有益菌大量死亡,无法建立优势菌群。

4.4 复方菌株制剂研究较少

复方菌株制剂的研究处于初级阶段,存在许多待解决的问题,比如混合菌株之间作用机理不清楚,是拮抗作用还是协同作用有待研究;菌液混合的最佳配比不明确;益生菌和其他药物或生物制剂的联合使用方面研究较少[50]。

5 展望

微生态制剂在水产领域应用相对其他领域起步相对较晚,但发展却是十分迅速。今后我国微生态制剂的发展趋势主要如下:加强微生态制剂的基础研究,搞清楚环境因素影响作用和有益菌在水产动物肠道定殖机理,提高有益菌的利用率;尽快筛选出高效的微生物制剂;开发专一、稳定性高的微生态制剂,增强其作用效果,扩大使用范围;研制抗逆性强、易保存新菌株;加强对复合型微生态制剂的研究,将微生态制剂与其他生物制剂结合使用等。水产养殖中微生态制剂的使用虽已被广泛接受,但是人们对微生态制剂的安全性依旧存在一些质疑,因此有必要加强微生态制剂安全性评估研究。总之,微生态制剂在水产养殖行业中有广阔的应用前景。