水产动物病原拮抗微生物及其应用研究进展

杜明洋,叶仕根,刘娟,王讷言,杨静,白璐

(大连海洋大学农业部北方海水增养殖重点实验室,大连市海珍品疾病防控重点实验室,辽宁大连116023)

摘要:为探寻水产养殖中可代替抗生素和化学药物拮抗菌生物防控以及更安全、有效、无公害的生物生态环境防控措施,本研究中综述了水产养殖动物病原及其拮抗微生物的种类、作用机制、应用现状等,并对水产动物病原拮抗微生物研究及其应用中存在的问题和发展趋势等进行了展望。本研究结果可为水产养殖用微生态制剂的研发以及水产动物的疾病防控提供参考依据。

关键词:拮抗微生物;作用机制;应用现状

随着水产养殖业的不断发展,养殖规模随之扩大,养殖区水质的不断恶化导致养殖动物病害日益增多,感染性疾病特别是由致病微生物引起的疾病已成为水产养殖业面临的最主要问题,严重制约了其产业健康发展[1]。近年来,各种化学添加剂及抗菌药物被大量用于疾病的预防和控制,以减轻病原菌对水产动物的影响[2]。但长期大量使用抗生素,会使致病菌株产生耐药性。同时,广谱抗生素会杀灭水产动物肠道内部分有益菌,并造成体内大量抗生素残留和积累,因此,水产食品的安全性受到严重的影响。鉴于以上因素,探寻新型生态环境友好型的生物防控、防治方法越来越受到关注。

生物拮抗是微生物群落内普遍存在的自然现象,是指同一生态位中不同微生物间出现生长抑制的现象。拮抗菌就是利用这一规律与病原菌相互抵制、相互排斥、相互制约的微生物种群[3]。目前,水产养殖业中已有的微生物制剂许多产品就是利用拮抗微生物对病原菌具有拮抗的特性制成的。本研究中,对水产养殖中病原菌及其拮抗微生物的种类及作用机制进行了阐述,并对其在水产养殖中的应用前景和发展趋势进行了展望,旨在为微生态制剂的研发以及水产动物的疾病防控提供参考依据。

1 水产动物病原及其拮抗微生物种类

1.1 水产动物病原

水产动物病原包括病毒、细菌、真菌、立克次体、衣原体等致病微生物和寄生虫。由病原微生物引发的疾病使水生生物具有较高的致死率并造成巨大损失,导致水产品质量下降、经济价值下降[4]

细菌性疾病是严重危害水产动物的疾病。水产动物的病原菌种类较为广泛,包括弧菌属Vibrio、气单胞菌属Aeromonas、爱德华氏菌属Edwardsiella、假单胞菌属 Pseudomonas、耶尔森氏菌属Yersinia、屈挠杆菌属 Flexibacter、黄杆菌属 Flavobacterium、邻单胞菌属Plesiomonas等革兰氏阴性致病菌,以及链球菌属 Streptococcus、肾杆菌属Renibacterium、分枝杆菌属Mycobacterium、诺卡氏菌属Nocardia等革兰氏阳性致病菌。其中,由弧菌感染造成的弧菌病是一种传播广泛的流行性疾病,同时也是集约化养殖的主要限制因素。链球菌是革兰氏阳性致病菌,可造成水产养殖业的严重损失。据统计,2008年全球仅由链球菌造成的经济损失就已超过2.5亿美元,链球菌病主要由无乳链球菌Streptococcus agalactiae和海豚链球菌Strepstococcus iniae感染造成[5]

1.2 拮抗微生物种类

目前,应用于水产养殖中的具有病原拮抗作用的有益微生物,包括一些革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌等有益细菌,以及部分非细菌类微生物。

1.2.1 细菌 革兰氏阳性菌被广泛应用于水产养殖业中,其中应用较为普遍的主要是乳酸菌和一些芽孢杆菌等。Zokaeifar等[6]报道,两株芽孢杆菌Bacillus以108cfu/mL的浓度添加到饲料中,投喂8周龄白对虾时,能够促进其生长及提高消化酶活力,并对哈维弧菌V.harveyi有抑菌活性。Acurcio等[7]报道,3株肠球菌Enterococcus存在益生特性,对胃液、胆汁有一定耐受能力,并对大肠杆菌Escherichia coli、李斯特氏菌Listeria、金黄色葡萄球菌Staphyloccocus aureus等致病菌有一定的抑菌活性。Li等[8]研究发现,节杆菌Arthrobacter XE-7能调节肠道微生物菌群,并显著提高凡纳滨对虾Litopenaeus vannamei的免疫参数。同时,副溶血弧菌V.parahaemolyticus攻毒试验表明,投喂益生菌的凡纳滨对虾肠道副溶血弧菌数量显著低于对照组。研究表明,该菌可显著降低对虾死亡率,提高对虾免疫参数,同时对副溶血弧菌有抑菌作用。

赵淑江等[9]报道了分离自海洋沉积物的86株放线菌,并从中筛选出5株放线菌,对副溶血弧菌、哈维弧菌两种大黄鱼常见病原性弧菌以及鳗弧菌V.anguillarum、溶藻弧菌V.alginolyticus共4种病原菌的拮抗作用效果较好。其中一株放线菌在牛肉膏蛋白胨液体培养基中不仅能够增殖,而且能够有效地抑制病原菌的生长。

革兰氏阴性菌,虽然应用相对不太广泛,但有些如假交替单胞菌Pseudoalteromonas等革兰氏阴性菌也是公认的益生菌。Fjellheim等[10]报道,假交替单胞菌对大西洋鳕Atlantic cod生长环境中的鳗弧菌具有拮抗作用。Kesarcodi-Watson等[11]报道了假交替单胞菌可保护扇贝幼苗免受灿烂弧菌V.splendidus的侵染。Austin等[12]报道了弗氏柠檬酸杆菌 Citrobacterfreundii对嗜水气单胞菌A.hydrophila有抑菌活性。Burbank等[13]研究发现,以106~108cfu/mL浓度的栖水肠杆菌Enterobacter amnigenus加入饲料中投喂虹鳟Oncorhynchus mykiss时,可以抑制嗜冷黄杆菌F.psychrophilum的侵染。

1.2.2 非细菌类微生物 噬菌体、酵母菌、微藻类等其他非细菌对致病菌也有抑制作用,可应用于水产养殖业。副溶血弧菌是导致虾急性肝胰腺坏死病的主要病原,可造成海洋虾类大量死亡。Jun等[14]研究发现,噬菌体pVp-1对所测试的副溶血弧菌抑制率达90.9%,对致病菌有较强的溶菌活性,在水产养殖中有潜在的应用价值。林治宇等[15]从健康凡纳滨对虾的消化道中分离出6株酵母菌,通过拌料的方式,将其中一株优势菌Candida nivariensis以不同的剂量添加在饲料中投喂凡纳滨对虾,可以提高对虾成活率,并能促进其生长。李明等[16]从刺参Apostichopus japonicus体内分离得到23株酵母,其中一株属于红酵母属,对7种刺参常见致病菌均有抑制作用。Abdo等[17]研究发现,从埃及一个水站中分离得到念珠藻、膨胀色球藻、颤藻、螺旋藻和鼓藻5种淡水藻类,测定这5种藻类的提取物对大肠杆菌、鼠伤寒沙门氏菌Salmonella typhimurium、粪肠球菌S.faecalis 3种病原菌的抑菌活性,结果表明,螺旋藻提取物对上述3种病原菌均有较强的抑菌活性,其他藻类由于不同的提取方式产生不同的色素含量,使其抑菌活性产生差异。

2 拮抗机制

微生物间的拮抗作用在自然界普遍存在,其在有益微生物和潜在致病微生物之间的竞争关系中起着重要的作用。拮抗微生物主要通过以下几种方式作用于致病菌。

2.1 产生抑菌物质

拮抗菌主要存在于水产动物肠道、表皮或养殖环境中,可抑制致病菌的增殖或杀灭病原菌。拮抗菌产生的抑菌物质主要有细菌素或细菌素类似物、有机酸及非特异挥发性抑菌物质等。

细菌素是细菌产生的由核糖体合成的抗菌肽,对相似或近缘菌株的生长有一定抑制作用[18]。Lin等[19]研究发现,一株分离自灰鲻Grey mullet肠道的乳酸菌,其产生的细菌素类似物质可有效抑制致病菌格氏乳球菌 Lactococcus garvieae生长。An等[20]从宝石石斑鱼Epinephelus areolatus中分离得到的一株解淀粉芽孢杆菌B.amyloliquefaciens产生的新型细菌素CAMT2,对食源性致病菌单核增生李斯特氏菌L.monocytogenes、金黄葡萄球菌、大肠杆菌、副溶血弧菌均有一定抑制作用。许多菌株产生的抑菌物质对病原菌的细胞壁有一定的溶解作用,并使其丧失活力。一些菌株通过破坏细胞膜的完整性,使靶细胞内钾离子浓度快速大量泄露,或以降解靶细胞DNA等方式对病原菌产生抑制作用。Lü等[21]从骆驼乳中分离得到一株干酪乳杆菌Lactobacillus casei,其产生的细菌素对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌均有抑制作用。其作用机制是产生的细菌素使靶细胞的细胞质膜形成孔隙,从而改变其通透性,进而使细胞死亡。He等[22]从舌鳎的组织因子途径抑制物中获得的一种新型抗菌肽TC24,对藤黄微球菌Micrococcus luteus、金黄色葡萄球菌和创伤弧菌V.vulnificus有抑菌作用,其作用机制是抗菌肽TC24在与目标细菌细胞的相互作用过程中,能够破坏细胞膜的完整性,可渗透到细胞质中,并诱导降解基因组DNA和总RNA,体内试验表明,其对细菌和病毒性病原体有抑制作用。李红娟[23]报道了从东北泡菜及传统乳制品中分离出的60株乳酸菌进行抗真菌活性初筛,并得到一株具有良好抗真菌效果的干酪乳杆菌,其发酵上清液在低pH范围内抑菌活性高,耐热性较差,对胰蛋白酶、胃蛋白酶不敏感。推测其抑菌作用主要是由于产生的高浓度有机酸 (主要是乳酸),降低pH值起到了抑菌效果。Yuan等[24]研究发现,解淀粉芽孢杆菌NJN-6能产生挥发性物质抑制尖孢镰刀菌Fusarium oxysporum的生长和孢子萌发。

2.2 营养竞争

营养竞争对水产养殖动物体内或其周围环境的微生物组成起着重要的作用。水产养殖环境中的微生物生态系统通常受控于异养生物对营养物质如碳源、氮源等的竞争。有些微生物的生长需要特定的微量元素,铁就是其中一种。许多条件致病菌对铁离子的需求非常高。铁载体是一种低分子量的铁离子配体,它可以将铁离子从其他络合物中夺取,将不溶的铁离子转化为可溶态供微生物生长。Zhang等[25]研究发现,由铜绿假单胞菌P.aeruginosa PA1产生的铜绿假单胞菌铁载体,对一些海洋弧菌有不同程度的抑制作用。芽孢杆菌在肠道内可消耗分子氧,制造厌氧环境,抑制好氧的致病菌,利于厌氧的有益菌乳酸菌和双歧杆菌Bifidobacterium的生存与增殖[26]。Neeser等[27]研究表明,约氏乳杆菌L.johnsonii能够在宿主体内与肠道致病菌争夺碳水化合物。

2.3 生态位或附着位点竞争

病原菌的黏附能力是其毒力因子之一,拮抗菌通过与病原菌竞争水产动物黏液层的黏附位点,进而对病原菌产生抑制作用。已有报道表明,微生物黏附于黏附位点是通过被动的力量、静电相互作用、疏水性、脂膜酸 (脂胞壁酸质)、黏着物和黏附物的具体结构等完成。Pan等[28]报道,酪酸梭状芽胞杆菌Clostridium butyricum具有较强的黏附能力,能够抑制两种水产养殖中常见致病菌嗜水气单胞菌和鳗弧菌。从金头鲷Sparusaurata、鲈Dicentrarchus labrax等水产养殖动物体内分离得到一株河流漫游球菌Vagococcus fluvialis,其对鲈肠道黏液有较强的黏附作用,能够抑制鳗弧菌的侵染,可显著提高鲈的存活率[29]。Lazado等[30]研究发现,分离自大西洋鳕鱼肠道的假单胞菌和嗜冷杆菌Psychrobacter能够干扰鳗弧菌和杀鲑气单胞菌A.salmonicida黏附肠上皮细胞。

2.4 协同作用

有些微生物菌剂是良好的天然免疫刺激剂,能够提高机体非特异性免疫力,可有效提高机体红细胞、粒细胞、巨噬细胞、淋巴细胞和免疫球蛋白等免疫细胞和免疫因子数量,提升溶菌酶活力及白细胞活力,进而增强水产动物对致病菌的抵抗力。Zokaeifar等[31]研究表明,向凡纳滨对虾养殖水体中添加枯草芽孢杆菌B.subtilis,能使对虾免疫相关基因表达量显著上调,且对哈维弧菌侵染的抗病力显著提高,与对照组相比能够提高对虾存活率。

有些微生物如硝化细菌、硫化细菌、光合细菌等,应用于养殖池塘能促进有机物的降解,降低氨氮,提高溶解氧,控制亚硝酸盐和硫化氢浓度,通过提高水质进而降低疾病发生率,提高存活率和生产效率[32]。芽孢杆菌能够改善斑节对虾Penaeus monodon的养殖水质,降低养殖环境中病原弧菌的数量,并可提高对虾生长率和幼苗成活率[33]。Lalloo等[34]研究发现,从底泥沉积物和锦鲤Cyprinus carpio中分离得到3株芽孢杆菌 (枯草芽孢杆菌、蜡样芽孢杆菌 B.cereus、地衣芽孢杆菌B.licheniformis)并应用于观赏鱼养殖中,可降低水体氨氮、亚硝酸盐、硝酸盐和磷酸盐浓度,并且对嗜水气单胞菌有抑制作用。

3 拮抗菌在水产养殖中的应用

随着微生物学和微生态学的不断发展,拮抗菌在水产养殖中的应用效果越来越好,已在降低发病率、减少疾病的蔓延和交叉感染、提高水产养殖动物成活率等疾病防控方面被广泛应用[35]

3.1 应用方式

拮抗菌可通过口服、泼洒、注射等方式应用于水产养殖中。注射法操作不当会使水产动物产生应激反应,故较少使用。口服法通常指将拮抗菌添加到养殖动物饵料中,这种方法的目的是通过引入活的微生物使宿主动物建立肠道菌群平衡,提高消化功能以及免疫系统应答。有研究表明,直接口服或水体泼洒是使用拮抗菌最为有效的方法[36]。其优势在于无论水产动物的个体大小均可施用,这样在其任何生长阶段均可用拮抗菌处理。拮抗菌通过直接泼洒或作为饲料添加剂等方式在鱼类、甲壳类、棘皮类、贝类等水产动物中应用,均取得了较好效果。

3.2 拮抗菌在鱼类养殖中的应用

拮抗菌在虹鳟、鳗鲡Anguilla japonical、野鲮Labeo、大菱鲆 Scophthalmus maximus、卡特拉鲃Catla catla等鱼类养殖应用中均有研究报道。Gao等[37]研究表明,在虹鳟养殖中应用贝莱斯芽孢杆菌B.velezensis能够抑制杀鲑气单胞菌的侵染。Cao等[38]研究发现,将解淀粉芽孢杆菌应用于鳗鲡养殖中能降低嗜水气单胞菌的侵染。Kumar等[39]报道了从南亚野鲮肠道中分离出的一株芽孢杆菌作为饲料添加剂连续两周投喂南亚野鲮,能够降低嗜水气单胞菌的感染,与对照组相比其存活率提高了69%。Chen等[40]从大菱鲆肠道内分离出一株枯草芽孢杆菌并作为饲料添加剂投喂大菱鲆,能有效抑制鳗弧菌感染,表明此菌可作为大菱鲆防控弧菌的饲料添加剂。Das等[41]研究表明,解淀粉芽孢杆菌FPTB16可作为潜在益生菌,以109cfu/mL的浓度将其添加到饲料中,投喂卡特拉鲃,可抑制迟缓爱德华菌E.tarda的侵染。Selim等[42]报道,解淀粉芽孢杆菌作为饲料添加剂投喂尼罗罗非鱼Oreochromis niloticus,之后用鲁氏耶尔森菌Y.ruckeri和D型产气荚膜梭菌C.perfringens对其进行攻毒试验,与不投喂解淀粉芽孢杆菌的对照组相比,提高了尼罗罗非鱼抗病力,进而提高其存活率。

3.3 拮抗菌在对虾养殖中的应用

据报道,将美人鱼发光杆菌 Photobacterium damselae添加在饲料中投喂对虾时,能够降低对虾肠道内弧菌含量,与对照组相比可显著提高对虾的抗病力[43]。Dong等[44]报道了枯草芽孢杆菌对在高水温下饲养日本对虾60 d后的影响,结果表明,添加枯草芽孢杆菌和地衣芽孢杆菌的对虾组肠道弧菌占肠道异养细菌总数的1%,显著低于对照组29%。王文君[45]报道了从对虾养殖环境中分离出的一株枯草芽孢杆菌,对溶藻弧菌、创伤弧菌及副溶血弧菌具有明显拮抗作用,不同浓度的3个投喂处理组均能有效降低弧菌数量,泼洒处理组在试验期间水体的弧菌数量均低于对照组,水体弧菌数量随泼洒浓度的提高而降低。王春迪等[46]向养殖水体中添加蜡样芽孢杆菌PC465,可降低对凡纳滨虾肠道内细菌的数量和水体中的弧菌数量,且能够提高对虾抗WSSV感染能力,显著降低对虾死亡率。

3.4 拮抗菌在其他水产养殖动物中的应用

周慧慧[47]研究发现,当饵料中添加芽孢杆菌GSC-1和肠球菌GSC-3两株弧菌拮抗菌投喂稚参时,能有效降低由灿烂弧菌感染引起的死亡率。汤菊芬等[48]研究发现,枯草芽孢杆菌、纳豆芽孢杆菌B.natto、地衣芽孢杆菌、粪肠球菌和嗜酸乳杆菌L.acidophilus与中草药等比例混合制成中草药复合微生态制剂,添加到饲料中投喂刺参,对哈维弧菌有抑制作用,显著提高了刺参存活率。

Sohn[49]研究发现,益生菌Phaeobacter inhibens S4和短小芽孢杆菌B.pumillus RI06-95能够提高东方牡蛎的存活率,抑制塔式弧菌V.tubiashii的侵染。Abasolo-Pacheco等[50]在培育扇贝幼虫过程中,用草乳杆菌L.graminis和蜡样芽孢杆菌的混合菌种处理,可显著提高扇贝的存活率和生长速率,并抑制溶藻弧菌的侵染。

4 展望

在过去的几十年中,拮抗菌作为生物防控剂代替化学药物和抗生素,对提高水产动物抗病力具有积极作用,但水产动物拮抗菌的研究及应用依旧存在诸多不足。

首先,在广泛应用拮抗菌之前应进一步加强具有更广谱抑制作用和不同来源的拮抗菌的分离,不断丰富水生动物拮抗菌资源。同时,也需加强针对特异性病原菌侵染时拮抗菌应用的研究,还需明确拮抗菌针对不同水产动物以及同一水产动物不同生长阶段的专用微生物制剂,使其产生更显著的作用效果。其次,对拮抗菌最佳培养条件、安全性以及复配菌种间相互协同作用的和谐性等问题需要进一步研究,确保拮抗微生物无毒无害以及对生物和环境的安全性。拮抗菌作为活菌制剂,对其长期保存工艺同样需要加以考虑。此外,应利用分子生物学等手段对拮抗作用机制进行更深入地了解。

随着水产养殖动物疾病问题日益突出,微生态制剂的应用已成为预防和控制水产动物疾病的最佳方法。因此,必须加强水产动物拮抗菌的筛选和应用研究,不断改善的拮抗菌产品将会满足水产养殖发展的需求。尽管拮抗菌在应用中还存在一些问题,但其对保护环境生态平衡、促进水产养殖业健康发展具有重要的意义。

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Research advances on antagoistic microbes and application in aquatic animal pathogens:a review

DU Ming-yang, YE Shi-gen, LIU Juan, WANG Ne-yan, YANG Jing, BAI Lu
(Key Laboratory of Mariculture& Stock Enhancement in North China's Sea,Ministry of Agriculture,Dalian Key Laboratory of Marine Animal Disease Prevention and Control, Dalian Ocean University, Dalian 116023, China)

Abstract:The species,functional mechanism and application of antagonistic bacteria in animal pathogens in aquature are reviewed to research for preventive and controll measures to replace antibiotics in aquaculture.Moreover,the new trends and prospects of probiotics application in aquaculture are also discussed.The findings will provide references with research and development of probiotics and control of the disease in aquaculture.

Key words:antagonistic microbe;functional mechanism;application

中图分类号S942.3

文献标志码:A

DOI:10.16535/j.cnki.dlhyxb.2017.06.018

文章编号:2095-1388(2017)06-0753-06

收稿日期:2017-05-22

基金项目:辽宁省海洋渔业厅科研项目 (201510);辽宁省教育厅科研项目 (L201602);大连市青年科技之星项目 (2015R080)

作者简介:杜明洋 (1993—),女,硕士研究生。E-mail:1007595993@qq.com

通信作者:刘娟 (1983—),女,博士,助理研究员。E-mail:liujuan@dlou.edu.cn