丁酸梭菌的生物學功能及其在水產養殖中的應用研究進展

徐亞飛，曾新福，樂 敏，李 慧，劉金松

(1．浙江惠嘉生物科技股份有限公司，浙江 安吉313307； 2．浙江大學動物科學學院，浙江 杭州310058)

隨著水產養殖集約化程度的不斷提高，養殖生態環境的不斷惡化及大量抗生素的不合理使用導致水產動物腸道菌群失調，使其免疫力下降、病害頻發，給水產養殖業造成較為嚴重的經濟損失[1-2]。微生態制劑因綠色環保、無毒副作用、無殘留、作用范圍廣等優點逐漸成為最有潛力的抗生素替代品[3]。目前，光合細菌[4]、芽孢桿菌[5]、EM菌[6]和乳酸菌[7]等產品已經在水產養殖中得到廣泛的應用，在預防水產動物疾病和凈化養殖水環境方面發揮著重要作用。

丁酸梭菌(Clostridiumbutyricum)，又稱酪酸梭菌，1933年由日本千葉醫科大學宮入近治博士首先發現并報告。丁酸梭菌是一種革蘭氏陽性、嚴格厭氧，能夠形成內生芽孢，可產生丁酸等短鏈脂肪酸(SCFA)的益生菌[8]。菌體形狀為直或微彎，兩端鈍圓，周身鞭毛，能運動；孢子圓形或卵圓形，偏心或次端生。在瓊脂平板上形成白色或奶油色的不規則圓形菌落，稍突，表面濕潤光滑，不透明。此菌常存在于土壤、酸奶、動物和人體的腸道等厭氧環境中。丁酸梭菌具有調節腸道微生態平衡，促進腸道上皮組織再生和修復的作用，并具有耐高溫和耐低pH的特性[9-10]。目前，丁酸梭菌制劑已被用于人類和畜禽腸道疾病的預防[11-14]。隨著人們對丁酸梭菌研究的不斷深入及對水產養殖業健康發展的不懈追求，丁酸梭菌在水產養殖中的應用研究也逐漸展開。

1 丁酸梭菌的主要生物學功能

1.1 維持消化道微生態平衡

丁酸梭菌可促進消化道內有益菌的增殖并抑制病原菌或腐敗菌的異常增殖，維持消化道微生態平衡，調理腸道菌群紊亂，減少腸道毒素的積累。陳秋紅等[15]研究表明丁酸梭菌CB-7對腸道致病菌大腸桿菌、志賀氏菌和沙門氏菌具有較強的抑制作用，同時可顯著促進腸道有益菌嗜酸乳桿菌、雙歧桿菌的增殖；宋增福等[16]研究表明丁酸梭菌可有效抑制魚類腸道病原菌遲緩愛德華氏菌、鰻弧菌和嗜水氣單胞菌的生長，其抑菌效果要明顯優于硫酸鏈霉素；宋增福等[17]研究還表明丁酸梭菌可黏附到鯽魚的腸道上皮細胞，有效抑制致病性鰻弧菌對腸道上皮細胞的黏附，且對鯽魚腸道上皮細胞沒有損傷。

1.2 改善腸道上皮組織的健康狀況

丁酸梭菌在腸道內可代謝產生丁酸。丁酸是腸道上皮組織細胞再生和修復的主要能量來源，具有修復腸道黏膜并降低腸黏膜通透性的功能[18]。Ling等[19]研究表明，丁酸梭菌對抗生素導致的腸道黏膜損傷、絨毛破壞及上皮細胞腫脹脫落有明顯的修復效果。凡納濱對蝦(Litopenaeusvannamei)在被飼喂含有丁酸梭菌的飼料后，腸道上皮細胞層的厚度顯著增加，上皮細胞之間的連接更加緊密，微絨毛整齊排列，沒有觀察到壞死或損傷的腸道細胞[20]。因此，丁酸梭菌可改善水產動物腸道上皮組織的健康狀況。

1.3 提高機體免疫力

丁酸梭菌可提高水產動物的機體免疫力和抗病力。將丁酸梭菌添加到美國紅魚(Sciaenopsocellatus)的飼料中，可以提高美國紅魚血清和體表黏液中溶菌酶的活性，同時增強酸性磷酸酶(ACP)和酚氧化酶(PO)的活性，增加血漿中免疫球蛋白M(IgM)的濃度和血清中補體C3的水平，還可顯著提高吞噬細胞呼吸爆發活性，提高美國紅魚的免疫力[21]。Sakai 等[22]研究表明在飼喂丁酸梭菌后，虹鱒(Oncorhynchusmykiss)吞噬細胞的吞噬作用顯著增強，白細胞超氧陰離子量顯著增加，對弧菌病的抵抗力顯著增強，表明丁酸梭菌可通過活化白細胞來增強虹鱒的免疫力。

1.4 促進營養物質的消化吸收

飼喂丁酸梭菌可增加水產動物腸絨毛和腸道上皮細胞微絨毛的高度，使腸道吸收表面積增加，促進腸道對營養物質的吸收[23]；丁酸梭菌可產生纖維素酶、蛋白酶、淀粉酶和糖苷酶等多種促進機體消化的酶類[24]，同時可代謝產生多種維生素，直接為機體提供營養物質。因此，丁酸梭菌可促進水產動物機體對營養物質的消化和吸收，促進其生長。Nakajima 等[25]研究表明，丁酸梭菌能夠在動物腸道中產生裂解酶和果膠甲基化酶，這兩種酶可以內切和外切果膠，最終將果膠降解為揮發性脂肪酸(甲酸、乙酸和丁酸)，從而增加機體對脂肪酸的吸收利用。Howie等[26]研究發現丁酸梭菌能夠合成煙酸、泛酸、葉酸、維生素B1、核黃素和吡哆醇等多種維生素，這些維生素是動物機體營養物質代謝和生理功能調節過程中不可缺少的一類物質，具有重要的營養作用。

2 丁酸梭菌在水產養殖中的應用

2.1 在蝦類養殖中的應用

在蝦類飼料中添加丁酸梭菌可增強蝦消化道的消化能力，改善其腸道健康狀況，提高機體的免疫力和抗應激能力，促進蝦類生長。段亞飛等[20，27-29]分別在凡納濱對蝦、日本囊對蝦(Marsupenaeusjaponicus)和斑節對蝦(Penaeusmonodon)的配合飼料中添加丁酸梭菌進行投飼試驗，結果表明丁酸梭菌可增加凡納濱對蝦腸道短鏈脂肪酸含量和蝦體粗蛋白含量，調節腸道消化能力并增強氨脅迫條件下的腸道免疫機能，促進凡納濱對蝦生長；丁酸梭菌可調節日本囊對蝦腸道消化和代謝能力，增加腸道上皮細胞層的厚度和腸道SCFA含量，促進日本囊對蝦生長，并能降低飼料系數，增加蝦體粗蛋白含量，增強其高溫應激條件下的腸道抗氧化能力；丁酸梭菌可增加斑節對蝦腸道消化酶活性，促進其生長，并增強亞硝酸鹽脅迫下斑節對蝦的抗氧化能力和存活能力。劉夢等[30]研究表明凡納濱對蝦飼料中添加丁酸梭菌可促進其生長并提高血清非特異性免疫水平。Sumon等[31]對羅氏沼蝦(Macrobrachiumrosenbergii)的研究結果表明，飼喂含有丁酸梭菌飼料的羅氏沼蝦，其胃腸道蛋白酶活性和淀粉酶含量均得到提高，機體免疫力增強，同時養殖過程中常見致病菌哈維氏弧菌的生長受到抑制。吳偉等[32]在日本沼蝦(Macrobrachiumnipponense)飼料中添加丁酸梭菌，發現丁酸梭菌可顯著提高日本沼蝦在亞硝酸鹽脅迫下的生長率，以及肌肉組織中超氧化物歧化酶(SOD)和過氧化氫酶(CAT)的活性，表明丁酸梭菌不僅可以促進日本沼蝦的生長，而且還能增加日本沼蝦對亞硝酸鹽污染脅迫的耐受和抵抗能力。

2.2 在魚類養殖中的應用

丁酸梭菌可調節魚類腸道微生態平衡，抑制致病菌的生長，提高魚體免疫力，減少疾病的發生。飼喂含丁酸梭菌C2菌株的飼料，可促進魚免魚(Miichthymiiuy)后腸雙歧桿菌數量的增長，抑制大腸桿菌的生長；鞏固假單胞菌優勢菌群的地位，降低不動桿菌屬、短桿菌屬和腸產氣桿菌屬細菌的比例[33]。顯然，飼喂丁酸梭菌可抑制魚免魚腸道致病菌生長，從而預防腸道疾病。在魚免魚的另一項研究中，飼喂丁酸梭菌后魚免魚的血清PO活力和ACP活力顯著提高，血清與體表黏液中的溶菌酶活性、IgM含量均顯著升高，魚體生長速度加快，故丁酸梭菌可提高魚免魚的體液免疫應答水平并改善其生長性能[34]。黃靈[35]在珍珠龍膽石斑魚(Epinephelusfuscoguttatus♀×Epinepheluslanceolatus♂)幼魚基礎飼料中添加丁酸梭菌，結果表明，飼料中添加丁酸梭菌可提高珍珠龍膽石斑魚的生長性能和非特異性免疫能力，并降低哈維氏弧菌攻毒后珍珠龍膽石斑魚的累積死亡率。何瑞鵬等[36]研究表明，飼料中添加丁酸梭菌或其發酵液(包含丁酸梭菌及其代謝產物)對珍珠龍膽石斑魚生長、消化酶活性和非特異性免疫酶活性均具有促進作用。Gao等[37]研究表明，飼料中添加丁酸梭菌可增加銀鯧(Pampusargenteus)腸道蛋白酶、脂肪酶和淀粉酶活性，提高血清溶菌酶和SOD酶活性及IgM含量，從而提高銀鯧非特異性免疫功能并促進魚體生長。劉勝高[38]研究表明飼料中添加丁酸梭菌可促進翹嘴鲌(Culteralburnus)生長。將丁酸梭菌添加到鯽魚基礎飼料中可以促進鯽魚對蛋白質的消化吸收，提高鯽魚增重率，降低發病率，并減少鯽魚糞便中氨氮的含量[39]。

3 存在問題和展望

丁酸梭菌可形成芽孢，具有耐高溫的特性，可以耐受飼料工業的高溫造粒工藝；其耐低pH和耐膽鹽的特性[15]，可使之進入水產動物腸道并能存活生長；此外，丁酸梭菌對多種抗生素具有較強的耐受性，可以與多種抗生素聯合使用[40]。因此，丁酸梭菌作為飼料添加劑在水產養殖中具有獨特的優勢。

目前丁酸梭菌在水產養殖中的應用和研究才剛剛起步，丁酸梭菌在生產和使用過程中存在的主要問題包括：1)不同廠家的丁酸梭菌的菌株來源和發酵水平相差較大，產品質量良莠不齊；2)如何延長丁酸梭菌在水中的保存時間還有待于進一步研究；3)對丁酸梭菌在水產動物體內代謝過程的研究較少，代謝機制還不夠明確；4)丁酸梭菌與其它菌株協同作用還有待進一步研究。為使丁酸梭菌能在水產養殖過程中發揮作用，需要注意：1)選擇具有生物安全性的優良菌株，并選擇具有良好的發酵能力企業生產的產品，以保證丁酸梭菌的作用效果；2)利用微生物基因組學和代謝組學的方法，探究丁酸梭菌在水產動物體內的代謝過程，為丁酸梭菌的合理應用提供理論基礎；3)針對水產養殖動物消化道特點，尋找與其具有協同作用的菌株，做出水產養殖用復合微生態制劑；4)通過制劑化技術，篩選菌體保護劑并優化保存條件，有利于丁酸梭菌被水產動物吸收。總之，隨著丁酸梭菌在水產養殖中應用和研究的深入，丁酸梭菌產品的生產和應用將更加科學合理，從而促進水產養殖業的健康發展。