Chiến lược tự nhiên để cải thiện sự phát triển và sức khỏe của tôm nuôi trồng

Kiểm tra việc sử dụng prebiotic, probiotic và lipopolysaccharides

Kháng sinh đã được sử dụng truyền thống để điều trị các nhiễm khuẩn trong nuôi trồng thủy sản trên toàn thế giới. Tuy nhiên, việc sử dụng và lạm dụng kháng sinh có thể gây ra những tác dụng phụ không mong muốn như sự tích tụ kháng sinh trong mô của động vật, ức chế miễn dịch, sự phát triển của vi khuẩn kháng kháng sinh và phá hủy hệ vi sinh vật môi trường.

Do đó, nghiên cứu nhằm thay thế kháng sinh bằng các sản phẩm tự nhiên như probiotics, prebiotics và lipopolysaccharides (LPS) đã nhận được sự chú ý đáng kể, đảm bảo phát triển các quy trình sinh học khác nhau để thu được những phân tử này.

Thuật ngữ probiotic có nghĩa là “cho sự sống”, và được xuất phát từ các từ tiếng Hy Lạp “pro” và “bios.” Định nghĩa rộng nhất về probiotics được Fuller đặt ra, người đã chỉ ra rằng một probiotic được xem như “một chất bổ sung thực phẩm vi sinh sống có tác dụng có lợi cho động vật chủ bằng cách cải thiện sự cân bằng ruột của nó.” Tuy nhiên, không chỉ vi sinh vật sống mới được coi là probiotics, mà còn bất kỳ vi sinh vật nào hoặc bất kỳ thành phần nào của chúng có thể mang lại bất kỳ hiệu ứng sinh lý có lợi nào cho vật chủ hoặc môi trường mà vi sinh vật sống.

Một prebiotic, khác với probiotic, không phải là một sinh vật và do đó có ít ảnh hưởng đến môi trường tự nhiên. Dựa trên định nghĩa của Gibson và Roberfroid, prebiotics là các thành phần thực phẩm không tiêu hóa được có tác động có lợi đến vật chủ bằng cách kích thích có chọn lọc sự phát triển và/hoặc hoạt động của một hoặc một số ít vi khuẩn trong đại tràng, từ đó cải thiện sức khỏe của vật chủ.

Prebiotics có hai đặc điểm chính: chúng là thực phẩm tự nhiên, và chúng không phải là sinh vật sống, vì vậy điều này tạo ra lợi thế so với probiotics. Việc bổ sung prebiotics vào chế độ ăn không cần sự cấp phép như là phụ gia thực phẩm vì chúng được mô tả tốt trong tài liệu. Ban đầu, prebiotics được sử dụng để kích thích bifidobacteria và lactobacilli trong hệ vi sinh vật của con người. Lipopolysaccharides gây ra những tác động mạnh mẽ lên hệ miễn dịch của tôm.

Bài viết tổng quan này – được điều chỉnh từ Aquacultura (Ecuador) Số 121, Tháng 2. 2018 – nhấn mạnh việc sử dụng probiotics, prebiotics và LPS, cơ chế hoạt động và những thách thức trong tương lai trong việc sử dụng và sản xuất các phân tử này trong nuôi trồng thủy sản, bao gồm nuôi tôm.

Probiotics trong nuôi trồng thủy sản

Probiotics là các công thức vi sinh được nuôi cấy mà được trộn với enzyme và ngũ cốc lên men gắn với một nền tảng hoặc công thức để sử dụng trong nuôi trồng thủy sản. Trong lĩnh vực động vật thủy sinh, probiotics đã được định nghĩa là “các tế bào vi sinh vật có khả năng di chuyển qua ống tiêu hóa và vẫn sống, với mục đích cải thiện sức khỏe.”

Một định nghĩa rộng hơn giả định rằng “probiotics được định nghĩa là những thực thể sống hoặc chết, hoặc ngay cả một thành phần của vi sinh vật có tác dụng theo nhiều cách khác nhau bằng cách mang lại hiệu ứng có lợi không chỉ cho vật chủ mà còn cho môi trường của chúng.” Bảng 1 cho thấy các chủng vi sinh đã được kiểm tra thành công như probiotics trong điều kiện thực địa. Có một sự quan tâm ngày càng tăng đối với probiotics mà đã được kích thích bởi nhiều yếu tố, bao gồm:

1) Kết quả khoa học và lâm sàng thú vị khi sử dụng các sinh vật probiotic đã được tài liệu hóa tốt.

2) Mối quan tâm về tác dụng phụ và thiệt hại môi trường.

3) Việc sử dụng các sản phẩm tự nhiên.

4) Sự phát triển của các đối kháng thủy sinh thú vị cho nuôi trồng thủy sản hữu cơ.

Trujillo, tôm nuôi, Bảng 1

Bảng 1. Các chủng vi sinh được cấp phép và kiểm tra được sử dụng như probiotics trong điều kiện thực địa.

Probiotics hoạt động theo cơ chế loại trừ cạnh tranh bằng cách thay thế hoặc loại bỏ các tác nhân gây bệnh bằng sự phát triển của một quần thể vi sinh có lợi trên bề mặt ruột, điều này làm giảm sự xuất hiện của bệnh tật, và thúc đẩy sức khỏe tốt hơn và sự phát triển tốt hơn của vật chủ (Hình 1). Các chủng vi khuẩn hoặc thành phần của chúng, có khả năng sản xuất ra các chất ức chế có thể tương tác trực tiếp với các tác nhân gây bệnh vi khuẩn và virus.

Sự phát triển của các tác nhân gây bệnh này được ngăn chặn thông qua việc sản xuất các sản phẩm chuyển hóa đối kháng hoặc bằng cách can thiệp vào sự bám dính. Một số nghiên cứu trước đây thực hiện trong 90 năm đầu của thế kỷ trước, do Nogami và Maeda, và Rengpipat et al., đã cho thấy sự phát triển và tỷ lệ sống tốt hơn của động vật giáp xác khi có bổ sung probiotics. Một số nghiên cứu mô tả sự tăng trọng lượng đáng kể của tôm được điều trị bằng probiotics so với nhóm không điều trị ở mức nông trại như được thể hiện trong Bảng 2.

Trujillo, tôm nuôi, Bảng 2

Bảng 2. Dữ liệu thí nghiệm từ các bể tôm hùm đen (Penaeus monodon) đã được xử lý bằng probiotics hoặc không được xử lý.

Lara-Flores và cộng sự giải thích rằng vi khuẩn probiotics là những ứng viên tốt để tăng khả năng tiêu hóa chất dinh dưỡng và sự phát triển ở các sinh vật thủy sinh. Irianto và Austin cho biết rằng các hợp chất có hại trong chế độ ăn có thể được giải độc bởi tác động của các enzyme thủy phân như amylase và protease, và cũng rằng các chất dinh dưỡng trong sinh vật có thể được cải thiện bởi các vitamin như biotin và vitamin B12.

Các enzyme tiêu hóa là cần thiết để phá vỡ các hợp chất phức tạp thành các phân tử đơn giản hơn, dễ hấp thụ hơn mà có thể được sử dụng bởi vật chủ. Do đó, việc bổ sung probiotics vào chế độ ăn tăng trưởng thông qua sự đóng góp enzym tăng cường khả năng tiêu hóa.

Các thành phần của việc tiêu hóa protein được tạo ra bởi tác động của các enzyme proteolytic nội sinh cũng góp phần làm tăng khả năng tiêu hóa thức ăn liên kết với việc bổ sung probiotics. Thực tế, vi khuẩn probiotic Lactobacillus plantarum cải thiện biểu hiện gen và đáp ứng miễn dịch ở tôm trắng Thái Bình Dương (Litopenaeus vannamei) khi được kết hợp trong chế độ ăn của nó. Cụ thể, L. plantarum cải thiện hoạt động của phenoloxidase, prophenoloxidase (proPO) và superoxide dismutase (SOD), cùng với tỷ lệ sống sót sau khi kích thích với Vibrio alginolyticus.

Các tác động này được quan sát khi vi khuẩn được cung cấp trong chế độ ăn ở mức 10¹⁰ CFU/kg trong 168 giờ. L. plantarum có hiệu quả cao chống lại Vibrio harveyi. Các thử thách thực nghiệm in vivo cho thấy rằng L. vannamei tăng cường khả năng kháng so với nhóm đối chứng không phơi nhiễm với V. harveyi. Những kết quả này đã gợi ý rằng chủng probiotic có tác dụng phản ứng miễn dịch đối với vật chủ, có thể liên quan đến các hợp chất ngoại sinh được giải phóng từ vi khuẩn có thể gây ra phản ứng miễn dịch không đặc hiệu.

Hoạt động của L. plantarum có trách nhiệm cho sự gia tăng tổng số tế bào huyết và hoạt động PO. Theo kết quả của nghiên cứu này, nó được gợi ý rằng hoạt động kết dính là nguyên nhân chính liên quan đến sự loại bỏ hiệu quả nhất của huyết thanh và tuyến tụy của tôm được cho ăn với chế độ ăn được bổ sung probiotic.

Khi bị thách thức với Vibrio nigripulchritudo, Pediococcus acidilactici đã ảnh hưởng đến các hàng rào chống oxy hóa và căng thẳng oxy hóa của L. vannamei. Nó thể hiện hiệu quả trên các dấu hiệu phòng thủ chống oxy hóa như SOD, catalase, glutathione peroxidase, glutathione và tổn thương mô. Chủng này có hiệu quả trong việc duy trì mức độ phòng thủ chống oxy hóa trong thời gian dài hơn so với các nhóm tôm đối chứng và không bị nhiễm.

Trong số ba chủng, BacillusP64 cho thấy chỉ số miễn dịch cao hơn đáng kể và phản ứng miễn dịch tương tự như của V. alginolyticus. Ngoài ra, nó thúc đẩy sự gia tăng số lượng tế bào hyaline. Những chủng này cho thấy hoạt động đối kháng chống lại các tác nhân gây bệnh ở tôm. Khi tôm giống được cho ăn chitin và Vibrio gazogenes, số lượng vi khuẩn dòng vibrio trong ruột trước và sau giảm đáng kể và số lượng tế bào huyết có sự thay đổi đáng kể.

Sự thay đổi trong số lượng tế bào huyết có thể phản ánh trạng thái miễn dịch của tôm vì tế bào huyết tham gia vào cả sự phòng thủ tế bào và miễn dịch huyết thanh của tôm. Các β-glucans từ men cũng đã được áp dụng như probiotics trong nuôi trồng thủy sản để điều chỉnh hệ thống miễn dịch bẩm sinh của cá và cải thiện tỷ lệ sống sót của cá chống lại các tác nhân gây bệnh.

Prebiotics trong nuôi trồng thủy sản

Prebiotics, khác với probiotics, không phải là sinh vật sống nên chúng có ít ảnh hưởng đến môi trường. Mahious et al., Fooks et al. và Gibson et al. đã mô tả rằng bất kỳ thực phẩm nào đến đại tràng – ví dụ, carbohydrate không tiêu hóa được, peptide, protein và một số lipid – có thể là ứng viên cho prebiotic. Tuy nhiên, các carbohydrate không tiêu hóa được như oligosaccharides, inulin, transgalactooligosaccharide và lactulose được coi là trung tâm của hầu hết các oligosaccharides.

Ở cá, các mannan oligosaccharides (MOS) và fructo-oligosaccharides (FOS) có lẽ là các oligosaccharides được nghiên cứu nhiều nhất mặc dù có thông tin về việc sử dụng các hợp chất giống oligosaccharides khác trong các động vật thủy sinh. Cấu trúc hóa học của một số oligosaccharides này được trình bày trong Hình 2. Một số nghiên cứu đã chỉ ra rằng prebiotics có thể điều chỉnh cộng đồng vi sinh vật của ống tiêu hóa để tăng cường các phản ứng miễn dịch không đặc hiệu. Quá trình lên men prebiotic trong đại tràng bởi các vi khuẩn gây ra sự thay đổi đáng kể của vi sinh vật trong đại tràng.

Trên thực tế, oligosaccharides phục vụ như một chất nền cho sự phát triển và sinh sản của các vi khuẩn kỵ khí, chủ yếu là bifidobacteria, mà ức chế sự phát triển của các vi khuẩn thối rữa và gây bệnh có mặt trong đại tràng. Sự sản xuất các chất gây kích thích hệ miễn dịch dẫn đến việc tăng cường bảo vệ vật chủ chống lại các nhiễm trùng.

Li et al. đã phát hiện rằng việc bổ sung FOS chuỗi ngắn với nồng độ từ 0.025 đến 0.8 phần trăm (m/m) đã làm tăng khả năng hô hấp của tế bào huyết trong tôm trắng Thái Bình Dương (L. vannamei) được nuôi trong hệ thống tuần hoàn.

Prebiotics có thể điều chỉnh cộng đồng vi sinh vật của ống tiêu hóa để cải thiện các phản ứng miễn dịch không đặc hiệu. Chúng cũng giúp giảm pH của ruột thông qua sự hình thành các axit béo chuỗi ngắn, điều này có lợi cho các vi khuẩn có lợi, làm tắc nghẽn sự bám dính của các tác nhân gây bệnh và các vị trí thụ thể độc tố, cạnh tranh dinh dưỡng và kích thích hệ thống miễn dịch. Tuy nhiên, các báo cáo về tác động của prebiotics đến các tham số tăng trưởng của các loài đều không kết luận rõ ràng và một số là mâu thuẫn.

Chế độ ăn của cá tầm Beluga (Huso huso) được bổ sung 1, 2 và 3 phần trăm (m/m) inulin đã ảnh hưởng xấu đến một loạt các tham số như tăng trọng, tăng trưởng, tỷ lệ hiệu quả protein, giữ protein và năng lượng, và độ hiệu quả thức ăn. Bên cạnh đó, Refstie et al. đã phát hiện rằng cá hồi Đại Tây Dương được cho ăn trong ba tuần với chế độ ăn dựa trên bột cá bổ sung 75 g/kg inulin đã tăng khối lượng tương đối của ống tiêu hóa, nhưng khả năng hấp thụ của cá không bị ảnh hưởng. Một chế độ ăn với 20 g/kg oligo-fructose, một FOS được sản xuất bởi quá trình thủy phân enzyme từng phần của inulin, tăng trưởng của ấu trùng turbot, nhưng 20 g/kg inulin tự nó không có tác động đến sự tăng trưởng.

Việc tiêu thụ prebiotics phụ thuộc vào loại nguyên liệu được sử dụng trong các công thức chế độ ăn và do đó sẽ khác nhau giữa các loài và các loại thức ăn được cung cấp cho động vật. Loại prebiotic được bổ sung, đặc điểm động vật cụ thể (loài, độ tuổi, giai đoạn sản xuất) và loại chế độ ăn đã được xác định là những điều quan trọng khi bổ sung prebiotics vào chế độ ăn của cá.

Tuy nhiên, nhiều kết quả thí nghiệm không đủ thuyết phục về lợi ích của một số prebiotics này. Và cần chú ý đến sự phát triển của các quy trình sinh học, các công thức thực tiễn và các cân nhắc kinh tế đảm bảo sản xuất bền vững.

Lipopolysaccharides như các chất kích thích miễn dịch

Những tác động của lipopolysaccharides (LPS) lên hệ miễn dịch của tôm đã là chủ đề của nhiều bài báo. Những trường hợp thú vị có thể cung cấp chứng cứ về việc ứng dụng LPS như một chất kích thích miễn dịch trong nuôi tôm được mô tả dưới đây. Tỷ lệ phát triển của tế bào huyết có thể tăng khoảng ba lần sau khi kích thích bằng LPS. Ngoài ra, việc tiếp nhận 3 H thymidine trong các tế bào huyết tuần hoàn có thể cao hơn đáng kể 26 lần ở tôm được kích thích bằng LPS so với tôm không được kích thích.

Hệ thống kích hoạt proPO trong Penaeus spp. cải thiện rất nhiều với việc điều trị bằng LPS, điều này cho thấy sự tham gia của nó vào việc nhận diện không tự thân. Ngoài ra, hoạt động PO trong huyết thanh tôm tăng lên với việc điều trị bằng LPS.

Việc tiêm Pantoea agglomerans với LPS cải thiện khả năng kháng bệnh chống lại viêm gan cấp tính ở penaeid và kích thích hoạt động bất hoạt của virus trong huyết thanh của tôm Kuruma, Penaeus japonicus. Sự phát triển của hầu hết các tế bào trong mô tạo máu của tôm hùm đen (P. monodon) có thể được tăng cường đáng kể sau khi tiêm LPS.

Tiêm tôm trắng Thái Bình Dương, L. vannamei, bằng LPS làm giảm mức độ mRNA của các peptide kháng khuẩn, penaeidin 2, penaeidin 3, penaeidin 4 theo liều phụ thuộc, trong khi mức độ mRNA của serine proteinase và proPO không thay đổi đáng kể.

Sự kích thích của tế bào huyết tôm trắng (L. vannamei) với LPS dẫn đến sự hình thành các cấu trúc đặc trưng ngoại bào của sợi được tạo ra từ DNA của tế bào vật chủ. Các nhóm tôm hùm đen (Penaeus monodon) được cho ăn viên thức ăn phủ LPS cho thấy tỷ lệ sống sót cao hơn so với các nhóm đối chứng khi bị thách thức với Vibrio harveyi.

Ngoài ra, mức độ gene liên quan đến miễn dịch chẳng hạn như, ví dụ, isoform 3 của yếu tố chống LPS, lectin kiểu C và peritrophin kiểu mucin đã được điều chỉnh trong ruột của nhóm P. monodon được cho ăn chế độ ăn bổ sung LPS một hoặc hai lần một ngày, khác với nhóm đối chứng. Sự biểu hiện của lectin kiểu C 3 trong mang của L. vannamei được điều chỉnh tích cực sau khi bị thách thức với LPS, và các LPS có thể điều chỉnh L. vannamei cactin trong tế bào huyết.

Các chiến lược tự nhiên để cải thiện sự phát triển và sức khỏe trong nuôi tôm quy mô lớn ngăn ngừa tình trạng hoại tử và giải phóng các phân tử nội sinh như L, β và P. Những phân tử nội sinh này có thể gây ra thay đổi trong khả năng sống sót của tế bào, sự giải phóng và hoại tử tế bào huyết, cho thấy sự kích hoạt của miễn dịch in vitro.

Tiêm LPS gây giảm tổng số tế bào huyết bán granule và tế bào huyết granule của P. monodon. Ngoài ra, hoạt động esterase không đặc hiệu, sản xuất các gốc oxy hoạt tính và sản xuất nitric oxide được kích thích đáng kể trong tế bào huyết của tôm được tiêm LPS, trong khi tỷ lệ tế bào chết theo chương trình tăng lên. Các phương pháp để tách và xác định LPS gần đây đã được báo cáo để sử dụng trong nuôi trồng thủy sản.

Triển vọng

Việc ứng dụng probiotics, prebiotics và LPS trong nuôi trồng thủy sản đã cho thấy những kết quả tích cực, nhưng đánh giá các tác động sinh học của những thực thể này trong môi trường tự nhiên và tính khả thi về lợi nhuận của các lựa chọn điều trị vẫn chưa đủ. Ngoài ra, việc trộn lẫn các thuốc sinh học này để hình thành symbiotics có một lĩnh vực rất hứa hẹn trong nuôi tôm vì chiến lược này đã có một số thành công ở các loài hải sản khác.

Trên nền tảng của nhiều công cụ giải trình tự gen hiện đang được sử dụng, nghiên cứu trong tương lai về tác động của probiotics, prebiotics và LPS nên bao gồm phân tích transcriptome và proteome bằng cách sử dụng các thử nghiệm công suất cao.

Hơn nữa, việc phát triển các transcriptomes và proteomes trong hệ vi sinh vật đường ruột cũng cần được nghiên cứu. Từ quan điểm vi sinh, rất quan trọng để tiếp tục đánh giá liệu các thay đổi vi sinh có ảnh hưởng tích cực nào đối với sức khỏe của động vật hay không, vì chúng góp phần ức chế sự chiếm đóng của ruột bởi các vi khuẩn gây bệnh và cải thiện miễn dịch bẩm sinh. Do đó, các nghiên cứu với tất cả những chất này nên được ưu tiên cao trong tương lai và các nghiên cứu thách thức nên được bao gồm như tiêu chuẩn vàng để đánh giá tác động của chúng đến sức khỏe của tôm.

Các tài liệu tham khảo có sẵn từ tác giả đầu tiên.