王旭達(dá),關(guān)曉燕,王 鑒,董 穎,蔣經(jīng)偉,姜 北,李石磊,趙澤龍,陳 仲,高 杉,周遵春
(遼寧省海洋水產(chǎn)科學(xué)研究院,遼寧省海洋水產(chǎn)分子生物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,遼寧 大連 116023)
仿刺參(Apostichopusjaponicus)屬棘皮動物門,是我國重要的近海水產(chǎn)養(yǎng)殖品種[1]。使用抗生素及化學(xué)藥物來預(yù)防仿刺參病害不僅防治效果差,還會造成機(jī)體腸道菌群失衡、致病微生物劇增等不良后果[2-3]。將益生菌制劑作為飼料添加劑應(yīng)用于仿刺參養(yǎng)殖,不僅可以提高其非特異性免疫機(jī)能,還能提升仿刺參抗應(yīng)激及抵抗病害的能力[4-5]。
益生菌制劑是天然的免疫激活劑,可以提高干擾素及巨噬細(xì)胞活性,增強(qiáng)機(jī)體免疫力及抗病力[6]。同時(shí),益生菌制劑本身含有大量的營養(yǎng)物質(zhì),隨其在消化道內(nèi)代謝、繁衍,可產(chǎn)生多種維生素、氨基酸、有機(jī)酸等物質(zhì),為機(jī)體提供營養(yǎng)物質(zhì)[7]。作為飼料添加劑使用是機(jī)體攝入益生菌最為實(shí)用、高效的方式[8]。目前,以芽孢桿菌(Bacillus)為主的益生菌制劑受到廣泛關(guān)注。芽孢桿菌通過發(fā)揮生物拮抗作用及產(chǎn)生抗菌物質(zhì)來抑制其他病原菌的生長,還可以刺激淋巴組織進(jìn)入免疫準(zhǔn)備狀態(tài),提高宿主的防御功能,起到增強(qiáng)機(jī)體抵抗力、提高飼料轉(zhuǎn)化率的作用[9-10]。其中,地衣芽孢桿菌(B.licheniformis)是近年來益生菌菌株研發(fā)的熱點(diǎn)。地衣芽孢桿菌易于在機(jī)體腸道內(nèi)萌發(fā)生長,對大腸桿菌(Escherichiacoli)、致病性弧菌(Vibrio)具有很強(qiáng)的抑制作用,而對雙歧桿菌(Bifidobacterium)、乳酸菌有促進(jìn)和共生作用[11-12]。由于地衣芽孢桿菌本身易形成孢子,比較適合于添加到飼料中保存[13]。地衣芽孢桿菌進(jìn)入機(jī)體腸道后,其表面抗原或代謝物擔(dān)當(dāng)免疫原,不斷刺激機(jī)體的免疫防御系統(tǒng),增強(qiáng)機(jī)體的非特異性免疫力[14-15]。同時(shí),地衣芽孢桿菌還可以通過營養(yǎng)競爭、空間競爭等方式抑制有害微生物的生長,維持機(jī)體腸道的微生態(tài)平衡[16]。
筆者以自健康仿刺參腸道中分離篩選得到的地衣芽孢桿菌為研究對象,將其制備成有活性的益生菌制劑并添加到飼料中開展仿刺參飼養(yǎng)試驗(yàn),以此驗(yàn)證其在仿刺參養(yǎng)殖中的益生作用。綜合評定地衣芽孢桿菌對仿刺參的生長指標(biāo)、消化酶活性及免疫防御因子的影響,通過攻毒試驗(yàn)探究地衣芽孢桿菌對仿刺參抗病力的影響,旨在為地衣芽孢桿菌在仿刺參養(yǎng)殖中的應(yīng)用提供技術(shù)支持及理論依據(jù)。
試驗(yàn)用仿刺參及飼料由遼寧省海水養(yǎng)殖引育種中心提供。仿刺參單體質(zhì)量(7.17±0.86) g,于人工育苗池暫養(yǎng)7 d。暫養(yǎng)期間保持充氣,水溫16~18 ℃,pH 7.9~8.2,鹽度29.3~31.1。每日換水后投喂飼料,飼料日投喂量為仿刺參體質(zhì)量的3%~5%。試驗(yàn)用益生菌株篩選自健康仿刺參腸道內(nèi)壁,并經(jīng)16S rDNA同源分析法鑒定為地衣芽孢桿菌。攻毒試驗(yàn)所用病原菌為燦爛弧菌(V.splendidus),分離自患腐皮綜合征的仿刺參病灶部位。以上2株菌種均由本實(shí)驗(yàn)室分離并保存。
1.2.1 菌株活化及生長曲線測定
將-80 ℃冰箱凍存的地衣芽孢桿菌活化并重懸,將活化后的菌懸液以5%的接種量加入到MSB培養(yǎng)基中,30 ℃,160 r/min振蕩培養(yǎng)。每隔3 h取3組平行樣,測其波長在660 nm下的光密度值D660 nm,繪制菌株生長曲線。
1.2.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)
將暫養(yǎng)7 d后的仿刺參隨機(jī)分配至5個(gè)相同規(guī)格720 mm×490 mm×380 mm水族箱中,每箱放入200頭仿刺參。將菌株培養(yǎng)至對數(shù)生長期,4 ℃,12 000 r/min離心10 min,棄上清液,加無菌海水重懸。采用比濁法將菌液與飼料的配比調(diào)整為105、107、109、1011cfu/g,將菌液與飼料充分混勻后進(jìn)行仿刺參投喂試驗(yàn)。試驗(yàn)期間保持充氣,飼養(yǎng)條件與暫養(yǎng)期一致。試驗(yàn)共設(shè)5個(gè)處理組,每組3個(gè)平行。分別于試驗(yàn)第0、10、20、30、40 d取樣測定仿刺參生長、消化和免疫指標(biāo)。
1.2.3 仿刺參生長指標(biāo)的測定
在每個(gè)取樣時(shí)間點(diǎn)測定仿刺參體質(zhì)量,并計(jì)算其質(zhì)量增加率和特定生長率。質(zhì)量增加率(wWGR)及特定生長率(RSG)按下式計(jì)算:
wWGR/%=(mt-m0)/mt×100%
RSG/%·d-1=(lnmt-lnm0)/t×100%
式中,mt為取樣時(shí)的仿刺參體質(zhì)量(g),m0為仿刺參初始體質(zhì)量(g),t為時(shí)間(d)。
1.2.4 仿刺參腸道消化酶活性的測定
在每個(gè)取樣時(shí)間點(diǎn)從每個(gè)試驗(yàn)組隨機(jī)取5頭仿刺參,解剖仿刺參取腸組織,于冰盤上剔除腸道內(nèi)容物及腸系膜,用磷酸緩沖液(pH 7.5)沖洗后用濾紙吸干,以10倍磷酸緩沖液勻漿。勻漿液于4 ℃,3000 r/min離心20 min,上清液即為粗酶液。
采用南京建成科技有限公司測試盒測定仿刺參消化酶活性。胰蛋白活性單位定義:在37 ℃條件下,每毫克蛋白中含有的胰蛋白酶在單位時(shí)間1 min內(nèi)使吸光度變化0.003為1個(gè)酶活性單位(U)。脂肪酶活性單位定義:在37 ℃條件下,每毫克組織蛋白在本反應(yīng)體系中與底物反應(yīng)1 min,每消耗1 μmoL底物為1個(gè)酶活性單位(U)。淀粉酶活性單位定義:在37 ℃條件下,每毫克蛋白與底物作用30 min,水解10 mg淀粉為1個(gè)酶活性單位(U)。
1.2.5 仿刺參體腔液中免疫指標(biāo)的測定
在每個(gè)取樣時(shí)間點(diǎn)從每個(gè)試驗(yàn)組隨機(jī)取5頭仿刺參,瀝水10 min后用無菌注射器從仿刺參腹部抽取體腔液0.5 mL,置于預(yù)冷離心管中,合并體腔液。4 ℃,3000 r/min離心20 min,取上清液用于測定免疫酶活性。
采用南京建成科技有限公司測試盒測定仿刺參免疫酶活性。酸性磷酸酶活性單位定義:100 mL上清液在37 ℃與基質(zhì)反應(yīng)30 min產(chǎn)生1 mg酚為1個(gè)酶活性單位(U)。堿性磷酸酶的活性單位定義:在相同條件下,上清液與基質(zhì)作用15 min產(chǎn)生1 mg酚為1個(gè)酶活性單位(U)。超氧化物歧化酶活性單位定義:每次反應(yīng)中酶抑制率達(dá)50%時(shí)所對應(yīng)的酶量為1個(gè)酶活性單位。溶菌酶的活性采用比濁法測定,根據(jù)37 ℃下,樣品、標(biāo)準(zhǔn)品、蒸餾水與應(yīng)用酶液反應(yīng)時(shí)的透光度來計(jì)算樣品中溶菌酶的活性。
1.2.6 地衣芽孢桿菌對仿刺參抵抗?fàn)N爛弧菌感染的影響
為驗(yàn)證地衣芽孢桿菌對仿刺參的免疫保護(hù)效果,在投喂試驗(yàn)結(jié)束后,每組隨機(jī)選取20頭仿刺參用于燦爛弧菌攻毒試驗(yàn)。將活化的燦爛弧菌接種在2216E培養(yǎng)基上,28 ℃培養(yǎng)24 h后用無菌水稀釋到一系列密度,通過預(yù)試驗(yàn)確定燦爛弧菌對仿刺參的半致死密度為2×107cfu/mL。每頭仿刺參經(jīng)腹腔注射100 μL半致死密度的燦爛弧菌,記錄攻毒后各組仿刺參的吐腸率、累積死亡率及相對免疫保護(hù)率。攻毒14 d后,從每個(gè)試驗(yàn)組隨機(jī)取5頭仿刺參,解剖切取腸組織(長約1 cm),將同組仿刺參腸組織合并后放入組織勻漿機(jī),加入30 mL磷酸緩沖鹽液,處理10 min。勻漿液于4 ℃,3000 r/min離心10 min,用無菌生理鹽水將上清液稀釋10倍,取200 μL涂布至硫代硫酸鹽檸檬酸鹽膽鹽蔗糖弧菌選擇性培養(yǎng)基,28 ℃倒置培養(yǎng),2 d后統(tǒng)計(jì)各組仿刺參腸道弧菌數(shù)目。吐腸率(RE)、累積死亡率(RCM)及相對免疫保護(hù)率(RRPS)按下式計(jì)算:
RE/%=ne/n0×100%
RCM/%=(n0-nt)/n0×100%
RRPS/%=1-(dt/d0)×100%
式中,n0為仿刺參試驗(yàn)初始個(gè)體數(shù),ne為仿刺參吐腸個(gè)體數(shù),nt為仿刺參試驗(yàn)終末存活個(gè)體數(shù),dt為攻毒組死亡率,d0為對照組死亡率。
數(shù)據(jù)用SPSS 19.0軟件進(jìn)行單因素方差分析以及Duncan多重比較,結(jié)果以平均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示,當(dāng)P<0.05時(shí)差異顯著。
地衣芽孢桿菌在培養(yǎng)的前6 h為生長延滯期,培養(yǎng)6~18 h時(shí)細(xì)菌快速繁殖,活菌數(shù)增長最快。在培養(yǎng)第18 h時(shí)菌液密度達(dá)到最大值。培養(yǎng)18 h后地衣芽孢桿菌活菌數(shù)增長趨勢變緩,進(jìn)入生長穩(wěn)定期,細(xì)菌生長趨于動態(tài)平衡。穩(wěn)定生長期維持約6 h后,地衣芽孢桿菌自身代謝產(chǎn)生的有害物質(zhì)阻礙了細(xì)菌的繁殖,細(xì)菌數(shù)開始下降,進(jìn)入衰亡期(圖1)。
圖1 地衣芽孢桿菌生長曲線Fig.1 Growth curves of B.licheniformis
投喂地衣芽孢桿菌前,各試驗(yàn)組群中仿刺參個(gè)體平均濕質(zhì)量差別不大。至試驗(yàn)終止時(shí),各試驗(yàn)組群仿刺參體質(zhì)量均呈現(xiàn)增長趨勢。其中地衣芽孢桿菌密度為109cfu/g的試驗(yàn)組仿刺參的質(zhì)量增加率及特定生長率相對最高。而地衣芽孢桿菌密度為105、1011cfu/g的試驗(yàn)組仿刺參的質(zhì)量增加率及特定生長率均低于對照組(表1)。
表1 地衣芽孢桿菌對仿刺參質(zhì)量增加率和特定生長率的影響Tab.1 Effects of B.licheniformis on WGR and SGR of sea cucumber A.japonicus
不同密度地衣芽孢桿菌對仿刺參腸道消化酶活性的影響見圖2。隨著投喂時(shí)間的延長,各處理組仿刺參的胰蛋白酶活性均逐步增加,而107cfu/g組增加最快(圖2a)。在投喂10 d時(shí),105cfu/g組與107cfu/g組的胰蛋白酶活性顯著高于對照組(P<0.05)。在投喂20 d后,105cfu/g組的胰蛋白酶活性增長緩慢,而107cfu/g組與109cfu/g組的胰蛋白酶活性顯著高于對照組(P<0.05)。隨著投喂時(shí)間的延長,各處理組仿刺參的脂肪酶活性均逐步增加(圖2b)。而107cfu/g組的脂肪酶活性上升更快,顯著高于同時(shí)期的對照組及試驗(yàn)組(P<0.05)。105、1011cfu/g組及對照組在投喂20 d后,脂肪酶活性增長趨勢變緩。與投喂初期的酶活性相比,109cfu/g組的脂肪酶活性在投喂30 d后明顯增長(P<0.05)。隨著投喂時(shí)間的延長,各處理組仿刺參的淀粉酶活性呈現(xiàn)先升后降的趨勢(圖2c)。在投喂30 d時(shí),各組仿刺參的淀粉酶活性達(dá)到最高,而后107cfu/g組和109cfu/g組淀粉酶活性緩慢下降,而105cfu/g組和1011cfu/g組淀粉酶活性下降較快,其中1011cfu/g組的淀粉酶活性低于同一時(shí)期的對照組,而107cfu/g組和109cfu/g組的淀粉酶活性與對照組相比均表現(xiàn)出顯著差異(P<0.05)。研究結(jié)果表明,地衣芽孢桿菌對仿刺參腸道消化酶活性的作用效果與給予劑量、給予時(shí)間存在相關(guān)性。
不同密度地衣芽孢桿菌對仿刺參體腔液免疫酶活性的影響見圖3。隨著投喂時(shí)間的延長,試驗(yàn)組酸性磷酸酶活性均高于對照組(圖3a)。在投喂30 d后,107cfu/g組與109cfu/g組的酸性磷酸酶活性顯著高于對照組(P<0.05),而105cfu/g組與1011cfu/g組中酸性磷酸酶的活性與對照組相比差異不顯著。隨著投喂時(shí)間的延長,各試驗(yàn)組的堿性磷酸酶活性均逐步增加且高于同時(shí)期的對照組(圖3b)。其中,109cfu/g組堿性磷酸酶活性升高最多,107cfu/g組次之。二者堿性磷酸酶活性均顯著高于同時(shí)期的對照組(P<0.05)。試驗(yàn)組與對照組的超氧化物歧化酶活性均呈現(xiàn)先升后降的趨勢(圖3c)。在投喂30 d時(shí),對照組及各試驗(yàn)組的超氧化物歧化酶活性達(dá)到最高。而在投喂30 d后,107cfu/g組與109cfu/g組的超氧化物歧化酶活性顯著高于對照組(P<0.05),而105cfu/g組與1011cfu/g組中超氧化物歧化酶的活性與對照組相比差異不顯著。隨著投喂時(shí)間的延長,試驗(yàn)組與對照組的溶菌酶活性均逐步增加(圖3d)。在投喂20 d時(shí),107cfu/g組與1011cfu/g組的溶菌酶活性顯著高于對照組(P<0.05),而在投喂30 d后,1011cfu/g組的溶菌酶活性增長緩慢,107cfu/g組與109cfu/g組的溶菌酶活性顯著高于對照組(P<0.05)。
圖3 地衣芽孢桿菌對仿刺參酸性磷酸酶(a)、堿性磷酸酶(b)、超氧化物歧化酶(c)和溶菌酶(d)活性的影響Fig.3 Effects of B.licheniformis on activities of ACP(a),AKP(b),SOD(c) and LZM(d) of sea cucumber A.japonicus
注射燦爛弧菌后,試驗(yàn)組與對照組仿刺參均出現(xiàn)不同程度的腫嘴、搖頭、吐腸等不良生理反應(yīng)。1011cfu/g組仿刺參的累積死亡率、吐腸率較高,相對免疫保護(hù)率較低。而107cfu/g組仿刺參的累積死亡率和吐腸率相對較低,相對免疫保護(hù)率較高(表2)。攻毒試驗(yàn)結(jié)果同樣表明,107cfu/g組仿刺參腸道的燦爛弧菌數(shù)目最少,為0.04 cfu/μL。109cfu/g組次之,燦爛弧菌數(shù)為0.07 cfu/μL。二者的燦爛弧菌數(shù)目均明顯少于對照組和其他處理組(圖4)。這表明107cfu/g組的抑菌效果最明顯,可以有效提高仿刺參抵抗?fàn)N爛弧菌感染的能力。
表2 地衣芽孢桿菌對仿刺參抵抗?fàn)N爛弧菌感染的影響Tab.2 Effects of B.licheniformis on disease resistance of sea cucumber A.japonicus against V.splendidus
圖4 地衣芽孢桿菌對攻毒仿刺參燦爛弧菌的抑制作用Fig.4 Inhibition of B.licheniformis on V.splendidus in infected sea cucumber A.japonicus
質(zhì)量增加率反映的是一段時(shí)間內(nèi)動物的體質(zhì)量增加量與初始體質(zhì)量的關(guān)系。質(zhì)量增加率只考慮終末質(zhì)量和初始質(zhì)量,不考慮養(yǎng)殖的時(shí)間,能夠直觀地反映動物質(zhì)量增加情況和生長情況[17]。特定生長率是指生長率與生長天數(shù)的比值,體現(xiàn)單位時(shí)間內(nèi)質(zhì)量的變化,弱化了初始質(zhì)量對動物生長的影響,是衡量水生動物生長狀況的常用指標(biāo)[18]。
本試驗(yàn)中,地衣芽孢桿菌過高或過低的添加密度均不利于提高仿刺參的質(zhì)量增加率及特定生長率,這與韓莎等[19]的研究結(jié)果相似。出現(xiàn)這種情況的原因可能是,過低密度的地衣芽孢桿菌影響仿刺參對營養(yǎng)物質(zhì)的吸收利用,不能有效促進(jìn)仿刺參生長,而過高密度的地衣芽孢桿菌會引起仿刺參腸道菌群失衡,導(dǎo)致仿刺參出現(xiàn)消化功能紊亂、代謝異常等現(xiàn)象,對仿刺參的健康養(yǎng)成產(chǎn)生不利影響。
消化酶活性的高低可以反映水生動物消化能力的強(qiáng)弱[20]。通過向飼料中添加益生菌制劑可以提高機(jī)體的消化酶活性,進(jìn)而改善機(jī)體對營養(yǎng)物質(zhì)的消化和吸收。本試驗(yàn)中,在添加地衣芽孢桿菌期間,仿刺參胰蛋白酶和脂肪酶的活力均呈上升趨勢,表明仿刺參對地衣芽孢桿菌具有逐漸適應(yīng)性,這與丁賢等[21]的研究結(jié)果相似。說明不同密度地衣芽孢桿菌分泌的消化酶對仿刺參腸道的脂肪酶活性的影響具有選擇適應(yīng)性。隨著投喂時(shí)間的延長,仿刺參淀粉酶活性出現(xiàn)先升后降的變化規(guī)律,這與于明超等[22]的研究結(jié)果相似。而當(dāng)?shù)匾卵挎邨U菌的添加密度為1011cfu/g時(shí),其處理組的仿刺參淀粉酶活性低于對照組。出現(xiàn)這種變化趨勢的原因可能是過高密度的地衣芽孢桿菌影響到仿刺參腸道原來定殖的土著菌群生長,而地衣芽孢桿菌分泌過量的消化酶對仿刺參自身的淀粉酶產(chǎn)生反向抑制作用,導(dǎo)致淀粉酶活性出現(xiàn)過飽和的現(xiàn)象[19]。
仿刺參是無脊椎動物,體內(nèi)沒有特異性的免疫組織,其體腔細(xì)胞擔(dān)負(fù)著非特異性免疫的職能[23]。酸性磷酸酶和堿性磷酸酶是仿刺參體腔細(xì)胞內(nèi)參與免疫防御活動的重要水解酶[24]。超氧化物歧化酶可以清除機(jī)體內(nèi)多余的自由基,阻斷脂質(zhì)過氧化作用,修復(fù)受損細(xì)胞。溶菌酶能夠切斷細(xì)菌細(xì)胞壁肽聚糖中的糖苷鍵,引起細(xì)胞裂解,破壞和消除侵入機(jī)體內(nèi)的致病菌[25]。
本試驗(yàn)結(jié)果表明,合適密度的地衣芽孢桿菌可以提高仿刺參的酸性磷酸酶、堿性磷酸酶及溶菌酶活性,這與包鵬云等[26-27]的研究結(jié)果相似。而在投喂地衣芽孢桿菌期間,仿刺參超氧化物歧化酶活性總體呈現(xiàn)先升后降的趨勢,這可能是因?yàn)橐欢〞r(shí)期內(nèi)過量積累的超氧化物歧化酶造成機(jī)體的氧化壓力不足,氧化因子缺乏,難以維持正常所需[28]。這表明合適密度的地衣芽孢桿菌在仿刺參體內(nèi)能夠分泌相關(guān)非特異性免疫酶或者通過誘導(dǎo)激發(fā)的形式提高機(jī)體分泌相關(guān)酶的能力從而達(dá)到清除自由基、提高仿刺參抗氧化能力和免疫能力的目的。而過高劑量的地衣芽孢桿菌可能會引起機(jī)體非特異性免疫系統(tǒng)的持續(xù)反應(yīng)而形成免疫抑制,導(dǎo)致相關(guān)免疫酶活力下降[29]。
燦爛弧菌是造成仿刺參腐皮綜合征病害發(fā)生的主要病原菌,對仿刺參養(yǎng)殖危害嚴(yán)重[30]。采用人工攻毒的方法使供試動物感染病原體,以此來反映生態(tài)制劑對供試動物的保護(hù)效果,能夠直接、真實(shí)地反映供試動物所獲得的免疫抗病能力[31]。周慧慧等[32]通過燦爛弧菌攻毒試驗(yàn)證明,投喂益生菌制劑可以顯著提高仿刺參的抗病能力,同時(shí)有效降低仿刺參的累積死亡率。王金燕等[33]同樣利用攻毒試驗(yàn)證明,芽孢桿菌制劑可以顯著提高仿刺參抵抗?fàn)N爛弧菌感染的能力。
本試驗(yàn)結(jié)果表明,地衣芽孢桿菌的添加密度為107cfu/g時(shí),仿刺參發(fā)病的個(gè)體數(shù)量相對較少,吐腸率和累積死亡率較低,相對免疫保護(hù)率較高。同時(shí),仿刺參腸道的燦爛弧菌數(shù)目也明顯少于其他處理組。這說明合適劑量的地衣芽孢桿菌可以提高仿刺參抵抗?fàn)N爛弧菌感染的能力,而過高劑量的地衣芽孢桿菌可能會影響仿刺參腸道原來定殖的土著菌群生長,破壞菌群平衡,使機(jī)體產(chǎn)生應(yīng)激反應(yīng),影響仿刺參攝食和消化吸收的效果。
綜上所述,該株地衣芽孢桿菌對促進(jìn)仿刺參生長、提高消化酶活性、增強(qiáng)免疫防御功能具有顯著的益生作用。綜合各項(xiàng)指標(biāo)可見,當(dāng)飼料中地衣芽孢桿菌的密度為107、109cfu/g時(shí),仿刺參的生長性能、消化酶活性、免疫酶活性和抵抗?fàn)N爛弧菌的能力得到顯著提高。該株地衣芽孢桿菌可以作為一種安全有效的益生菌添加劑應(yīng)用于仿刺參養(yǎng)殖。