微生態制劑在水產養殖中的應用

賈新穎, 徐晨曦,孫偉彬,陳秀玲,肖國娟

(1.河北科技師范學院,海洋資源與環境學院,秦皇島066000;2.秦皇島北戴河新區水產技術推廣站 秦皇島 0666003;3.河北省水產技術推廣總站 河北 石家莊 050035)

隨著水產養殖業的迅速發展,高密度養殖等增加了養殖動物患病風險,也影響了水產品品質和生產效率[1-2]。Mcdermott等[3]研究發現,人工養殖水體中病原菌對多種藥物都產生了非特異性抗性基因(Antibiotics resistancegenes,ARGS)。多次引起人和動物的沙門氏菌病的病原菌—鼠傷害沙門氏菌(Salmonellatyphimurium)DT104,經流行病學和分子生物學等相關研究證實可能源于遠東的水產養殖區域[4]。我國藥監機構曾公布,用于人體抗菌消炎的喹諾酮類藥物將近一半失效,被稱為抗生素“最后一道防線”的萬古霉素近幾年也出現了耐藥性病原菌,水產養殖也不可避免病原菌耐藥性產生[5]。Penders等[6]在荷蘭南部鯰魚和鰻魚養殖場分離出的大多數氣單胞菌對氨芐西林和土霉素耐藥性發生率100%。在已報道檢測出耐藥基因的水產品種類眾多,比如鱉、鯉、鯽、沙丁魚、鯰魚和蝦等,連觀賞魚也檢測出耐藥基因[7]。水產動物的代謝產物及殘餌會加劇患病幾率,養殖人員一般采用換水、減少飼料投喂次數和投放消毒殺菌類藥物等方法應對,但收效甚微[8]。因此,研發凈化水質、提高水產動物生長性能和免疫力的綠色環保型產品成為水產養殖領域中熱點。

關于“微生態制劑”這個概念,我國最早于1990年微生態學會學術研討會議提出,是指從動物或者大自然中分離出來,經過擴大培養繁殖后,形成含有大量活微生物制劑[9]。微生態制劑最早在我國水產養殖應用是添加到鯉魚飼料,將從鯉腸道分離出來的節桿菌和干酪乳桿菌添加到鯉魚飼料中,試驗結果證實添加有益菌不僅生長速度快于對照組,抗病能力也顯著提升[10]。

1 水產中常用微生態制劑的種類和特點

微生態制劑一般分為三大類,即益生菌、益生元和合生元,常見劑型為液態(菌體含量一般≥3×108CFU/mL),還有粉末狀和固體狀等其他劑型。在水產養殖中常應用的益生菌類型為芽孢桿菌類(枯草芽孢桿菌、地衣芽孢桿菌和蠟樣芽孢桿菌)、光合細菌類(莢膜紅假單胞菌、沼澤紅假單胞菌)、硝化細菌類和乳酸菌類(乳酸乳桿菌、雙歧桿菌、嗜酸乳桿菌)等[11]。這些微生態制劑的應用,為實現綠色可持續、生態友好的水產養殖業發揮了重要作用。

1.1 益生菌制劑

1.1.1 芽孢桿菌類制劑 芽孢桿菌在自然界分布廣泛,在土壤、空氣、水以及動物腸道等都存在,有良好的生物活性,具有抗氧化、耐酸堿和耐高溫等優點[12-14]。芽孢桿菌產生孢子能力很強,存活率和存活時間都有優勢,在水產上應用比較廣泛。芽孢桿菌加入養殖水體后迅速繁殖占據優勢,分泌高活性的胞外酶(蛋白酶、脂肪酶、淀粉酶等),可以降解并吸收水體中殘餌、糞便和其他有毒有機物等,起到凈化水質作用;分泌的細菌素(如枯草芽孢桿菌的枯草桿菌素,地衣芽孢桿菌的桿菌肽和地衣素等),能抑制病原微生物繁殖,降低水產生物患病幾率;提供的多種營養物質,可以協助水產動物消化吸收營養物質,提高飼料轉化率,降低餌料系數[15]。

1.1.3 硝化細菌類制劑 大部分硝化細菌類屬于自養型細菌,分為兩個屬,即亞硝化細菌屬和硝化細菌屬,通過利用外界環境中物質氧化所放出的能量合成有機物[18]。在養殖水體溶氧充足的前提下,硝化細菌通過硝化反應分解水中的氨氮和亞硝酸鹽,為浮游生物的生長提供有效氮源,促進有益藻類繁殖,為水生動物提供優質的生長環境[19]。

1.1.4 乳酸菌類制劑 乳酸菌是指分解碳水化合物產生大量乳酸一類細菌的統稱,在酸性條件下依舊能存活得很好,可在水產動物腸道內長期定殖生存[20]。乳酸菌的代謝產物可以降低養殖水體pH值,提高亞硝酸鹽還原酶活性,加快分解亞硝酸鹽,降低對水產動物毒害作用。乳酸菌利用碳水化合物發酵產生乳酸,降低水產動物腸道pH值,增加有益菌群的優勢,改善胃腸道功能和維持菌群動態平衡[21-22]。

1.1.5 復合型益生菌制劑 復合微生態制劑指多種有益菌復合而成的生物制劑,以EM菌為例,由乳酸菌、光合細菌和酵母菌等多種有益菌復合而成。雖單一有益菌可以根據菌固有功效能針對性解決問題,但是實際應用中,需要同時具備凈化水質、增加機體抗病性、促生長和改善腸道菌群等多種功能,單一菌群是不可能獨立完成的。

1.2 益生元制劑

益生元為非消化性物質,包括菊粉、乳果糖、雙歧因子、異麥芽糖和纖維素等,可以作為水產動物腸道有益菌的“營養培養基”,刺激水產動物腸道內有益菌繁殖,提高有益菌活性,抑制有害菌繁殖。益生元還可以提高水產動物各種酶的活性,比如脂肪酶、蛋白酶和淀粉酶等,進而提高水產動物對飼料營養物質利用率。

1.3 合生元制劑

合生元這個詞,在1995年首次被提出,是指益生菌和益生元結合使用的生物制劑,并不是簡單的兩種產品疊加使用,而是一個質的改變,可以同時發揮兩者的作用。合生元通過提高活性微生物補充劑在水產動物腸道的存活率和定殖率,對機體產生有益作用。

2 微生態制劑的作用機制

在水產養殖中,微生態制劑被定義為改善宿主微生物區系,提高飼料利用率和宿主免疫力,改善水環境質量的生物制劑。微生態制劑在水產養殖中應用主要分為兩大類,飼料添加劑與水質改良劑,主要作用是改善水質,維持水生動物腸道菌群平衡,提高飼料轉化率和水生動物免疫功能等。

2.1 在飼料添加劑方面

2.1.1 維持水產動物腸道菌群平衡 健康的水產動物腸道菌群以厭氧菌為主,需氧菌僅占1%左右,其種類和數量處于動態平衡狀態。如果水產動物腸道菌群平衡被打破,氧分子濃度增加,就會導致需氧菌增多,不利于厭氧菌生存[23]。微生態制劑中的好氧益生菌,通過消耗腸道內氧氣,降低氧分子濃度,使厭氧菌群重新占據優勢。微生態制劑生長代謝過程中分泌的乙酸、過氧化氫和其他活性物質,不僅能抑制病原菌生長繁殖,還能維持水產動物腸道菌群動態平衡[24]。

2.1.2 提高餌料轉化率 微生態制劑通過分泌或誘導水產養殖動物分泌多種胞外酶,比如淀粉酶、脂肪酶、蛋白酶、纖維素酶等,增強水產動物代謝和增加營養物質的可用性[25]。比如地衣芽孢桿菌富含多種營養物質和分泌多種胞外酶,可以提高水產動物營養物質吸收能力和飼料轉化率[26]。

2.1.3 提高水產動物免疫功能 微生態制劑通過增強B細胞和巨噬細胞活性,刺激機體免疫力,充分調動機體自身免疫防御機制[27]。比如乳酸菌分泌的抗菌分子,抑制有害菌繁殖,有效降低了水產動物被病原菌侵害幾率。在凡納濱對蝦飼料中添加乳酸菌,能顯著提高對副溶血性弧菌抗病力[28]。復合微生態制劑產生的活性因子可以刺激水產動物腸黏膜淋巴組織,增強酶的活性[29]。

2.2 在水質調控方面

2.2.1 分解亞硝酸鹽氮等有害物質 在高密度養殖條件下,水體易積攢大量糞便、殘餌和動植物遺體,在腐化細菌催化下,就會分解產生大量有害物質和氣體,比如氨氮、亞硝酸鹽氮、氨氣和硫化氫等物質,導致水質惡化和增加水產動物患病幾率[30]。微生態制劑添加到養殖水體中可以分解水體中有害物質,對水體中的有害菌及有害藻類的繁殖有很好抑制作用,達到凈化水質和降低水產動物患病幾率作用[31]。趙留群等[32]在刺參幼參養殖水體分別添加芽孢桿菌、EM菌和海洋紅酵母,研究對水質的作用,其中芽孢桿菌和EM菌能分解水體中氨氮及亞硝酸鹽。

2.2.2 提高水體溶解氧含量 當水產養殖的密度超過水體承受范圍,養殖水體一直處于不流動狀態,就會出現水體富營養化現象,浮游植物大量繁殖,溶氧量急劇下降,導致水產動物缺氧甚至死亡和水質持續惡化。微生態制劑通過利用氨氮、亞硝酸鹽氮、硫化物等有害物質,轉化為無毒的硝酸鹽被有益藻類利用,藻類又能產生溶解氧供水產動物利用,就會構成良好的水循環體制,達到改善水質作用[33]。劉英霞等[34]在海水養蝦池添加EM菌,研究對水質的影響,結果顯示不僅可以增加水體溶解氧含量,還能使其在一定時間內維持在一個較好的濃度范圍。

3 不同微生態制劑在水產養殖中的應用

3.1 芽孢桿菌類制劑在水產養殖中的應用

芽孢桿菌不僅可以提高水產養殖動物生長性能、提高抗氧化酶活性和減輕應激反應,還可以改善養殖水質和抑制病原微生物繁殖[35]。在水產養殖中常用的芽孢桿菌為枯草芽孢桿菌、地衣芽孢桿菌和蠟樣芽孢桿菌等[36-37]。姚海靜[38]研究枯草芽孢桿菌對牙鲆幼魚酶活性、組織結構、腸道菌群結構及免疫基因表達的影響,結果證實在牙鲆幼魚飼料添加枯草芽孢桿菌可以提高肝臟相關酶活力,還可以激活脾臟中免疫基因的上調表達。么寶蘭等[39]研究地衣芽孢桿菌對鯽魚免疫能力、抗氧化能力、肝和腸組織結構的影響,試驗結果表明添加地衣芽孢桿菌不僅可以提高鯽魚抗氧化能力和免疫能力,還可以提高鯽魚腸絨毛高度及肌肉層厚度,改善肝臟組織結構損傷。

3.2 光合細菌類制劑在水產養殖中的應用

光合細菌利用硫化物、氨氮等進行光合作用,降解水體中有害物質,分解小分子有機物質,起到凈化水質作用[40]。在水產上常用的光合細菌為綠菌、綠曲菌、紅螺菌等。邱宏端等[41]取4株紅螺菌(膠質紅假單胞菌H1、球形紅假單胞菌PSB-3、莢膜紅假單胞菌PSB-2和沼澤紅假單胞菌H10等)研究對水產常見病原菌的抑菌能力,結果表明紅螺菌對20多株病原菌有抑制作用,其中莢膜紅假單胞菌PSB-2抑菌活性最強。姜松等[17]添加光合細菌于糙海參幼苗培育水體中,結果發現試驗組糙海參幼苗質量和成活率顯著高于對照組,糙海參苗消化道的纖維素酶、蛋白酶和淀粉酶活性也得到了顯著提高。

3.3 硝化細菌類制劑在水產養殖中的應用

硝化細菌通過硝化反應將養殖水體中亞硝酸鹽轉化為無害的硝酸氮,為浮游植物提供氮源,使水體中菌藻平衡,起到凈化水質的作用。劉冉等[42]研究硝化細菌制劑對海參養殖水質的凈化作用,結果表明投入硝化細菌制劑對養殖系統水質有明顯的凈化效果。李長玲等[43]在羅非魚魚苗培育水體中加入硝化細菌,證實硝化細菌不僅能凈化水質還能增強羅非魚魚苗抗病能力。

3.4 乳酸菌類制劑在水產養殖中的應用

乳酸菌通過分泌有機酸和細菌素,降低腸道pH值和提高亞硝酸鹽還原酶活性,起到調節腸道菌群和凈化水質作用[44]。林艾影等[45]在飼料添加乳酸菌研究對軍曹魚幼魚生長、消化酶和免疫酶活性的影響,結果發現在飼料添加乳酸菌顯著提高軍曹魚的非特異性免疫力和生長性能,添加量為3.0×108cfu/g效果最好。郭東[46]從半滑舌鰨腸道分離出三株乳酸菌,研究其對多種水產病害菌抑菌作用以及抗氧化還原能力,試驗結果顯示對多數病害菌有較好抑菌效果和能顯著提高飼料抗脂質過氧化能力。

3.5 復合微生制劑在水產養殖中的應用

4 水產微生態制劑存在的問題

微生態制劑在我國水產中應用越來越廣泛,特別是在研究益生菌之間配伍優化以及對水產養殖動物的生長性能等方面的應用受到廣泛重視。但目前微生態制劑存在諸多不足,比如產品質量參差不齊、基礎理論不明確、生產過程和使用方法不嚴謹等問題。

4.1 產品質量參差不齊

由于微生態制劑屬于水產非藥品,沒有相關證書也可以流通使用,市場監管寬松,不少廠家為了謀取暴利偷工減料,出現標注成分不明確和產品質量不穩定等問題。而且微生態制劑在水產上應用時間相對其他領域較短,技術不是很成熟。

4.2 基礎理論研究有待深入

益生菌發揮作用的條件、途徑和方法研究不明確;微生態制劑作用機理缺乏深層次研究;有的研發培養出的菌株,在體外試驗效果很好,但是應用到水產動物身上效果較差;菌株的有限性和穩定性缺乏嚴格檢驗。

4.3 生產過程和使用方法粗放

微生態制劑易受環境因素(溫度、pH值、溶解氧等)的影響,活菌的數目不能被保障。使用微生態制劑產品的水產養殖從業者大多文化水平較低,對微生態制劑了解甚少,不能正確規范使用。有的甚至將微生態制劑和消毒劑等一起使用,導致有益菌大量死亡,無法建立優勢菌群。

4.4 復方菌株制劑研究較少

復方菌株制劑的研究處于初級階段,存在許多待解決的問題,比如混合菌株之間作用機理不清楚,是拮抗作用還是協同作用有待研究;菌液混合的最佳配比不明確;益生菌和其他藥物或生物制劑的聯合使用方面研究較少[50]。

5 展望

微生態制劑在水產領域應用相對其他領域起步相對較晚,但發展卻是十分迅速。今后我國微生態制劑的發展趨勢主要如下:加強微生態制劑的基礎研究,搞清楚環境因素影響作用和有益菌在水產動物腸道定殖機理,提高有益菌的利用率;盡快篩選出高效的微生物制劑;開發專一、穩定性高的微生態制劑,增強其作用效果,擴大使用范圍;研制抗逆性強、易保存新菌株;加強對復合型微生態制劑的研究,將微生態制劑與其他生物制劑結合使用等。水產養殖中微生態制劑的使用雖已被廣泛接受,但是人們對微生態制劑的安全性依舊存在一些質疑,因此有必要加強微生態制劑安全性評估研究。總之,微生態制劑在水產養殖行業中有廣闊的應用前景。