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从小到大:释放微生物在水产养殖中的潜在潜力

约瑟夫·哈基姆 古贤敏 斯蒂芬·瓦茨(Stephen A.Watts)博士

技术提高了微生物组测试的准确性和可承受性

微生物
图1:下一代测序(NGS)技术和透射电子显微镜(TEM)的应用揭示了水产养殖动物的微生物组具有最高的生物分类分辨率。

从在深海中蒸腾的热液喷口,极冷的极地环境,黄石国家公园的温泉,到动物的肠道和我们自己的肠道,微生物群落几乎生活在地球上的任何地方。肉眼几乎看不见,微生物贡献约4-6×1030 细胞进入地球生物圈,比动植物细胞总数多2至5个数量级。

微生物比细沙粒小几百到几千倍,由病毒,真菌,原生生物,古细菌以及最引人注目的细菌组成,这些细菌通过它们的集体新陈代谢输入影响我们的生态。一般而言,已经适应环境的微生物会在这种生态环境中蓬勃发展,胜过可能不合适的微生物。并非所有居住在各种生态系统中的微生物群落都是相同的。

围绕它们的物理化学因素的性质有助于塑造财团的复杂性及其在生态系统功能中的作用。然而,在大多数情况下,包括水产养殖系统在内的各种微生物群落的真正作用尚未得到充分了解。

微生物群落具有多种作用

最近的研究表明,包括人类在内的动物在其微生物在支持宿主健康方面所起的关键作用取决于其微生物群落。例如,某些物种 大肠杆菌 它们被认为是肠道中的快乐共生体,它们得益于人类日常饮食的营养,并通过产生在我们肠道中吸收的必需维生素来奖励宿主。

实际上,宿主友好型细菌的作用已成为科学界关注的话题,并且研究已经描述了某些微生物群落在训练免疫系统,帮助食物消化,预防疾病中的众多益处。有害细菌的入侵,并有助于身体的整体健康。

另一方面,微生物联盟中的混乱会导致对其宿主健康的不利影响。生物体典型微生物群落结构的重大变化可能是由于环境压力,营养物质的可利用性,化学暴露或有害微生物物种的入侵而引起的。在某些情况下,这些变化可能是良性的,“homeostática”正常可以退货。在其他情况下,这些中断可能会对主机造成严重的长期后果。

有益的宿主-微生物关系扩展到所有动物,尤其是具有农业重要性的动物,在这些动物中,了解细菌在其宿主中的作用对于生产优质产品非常有益。像人类一样,牛和其他动物也依赖于肠道细菌群落来进行有效消化,这意味着保持营养吸收所需的健康肠道细菌特性的重要性。

实际上,了解生产和伴生动物中通常存在的微生物种群的努力已导致了实际应用,例如集中使用微生物作为益生菌以提供健康益处,同时对居民的破坏最小。天然微生物。当前的益生菌应用已成功实现以下方面:1)稳定肠道微生物群落;(2)减少不使用抗生素的肠道相关疾病的发生;(3)促进体重增加;以及(4)减少肠道细菌的产生。浪费。

微生物组分析和水产养殖

自1950年代初以来,水产养殖业已发展壮大,到2030年,由于水产养殖系统的结果,全球预计食用鱼将占60%以上。随着这种发展,充分利用水产养殖已成为一种优势。水产养殖业提供的受控环境。为了改善身体健康和质量供应,该法规促进了益生元的喂养方案,控制了饲养,优化了饲料营养,并通过抗生素减少了疾病。

这还包括制定策略,在封闭系统中循环使用清洁水,并为科学突破和发现提供场所,同时减少大量过度开发的野生种群,沿海水污染和人为甲烷的产生。 。即使在改善水产养殖中鱼类健康和蛋白质质量方面取得了最新进展,我们仍未完全了解相关微生物,也没有利用这些微生物带来的健康益处。

无论是鱼类还是无脊椎动物,盐水还是淡水,所有水产养殖物种都将具有共同依赖的微生物种群,在许多情况下,微生物种群将决定这些物种生产的成功。不幸的是,微生物组的世界在很大程度上被忽略了,直到现在,仅人类肠道中的一万亿多个生物及其在宿主功能中的潜在作用就被忽略了。

强大的新技术

对于水产养殖而言,幸运的是,新千年带来了强大的技术,这些技术使研究人员能够与其他生物和谐共存,从而深入研究微生物群落的世界。具体来说,NextGen DNA测序与功能强大的生物信息学软件相结合,为微生物组的研究做出了贡献。这项技术的应用使得仅基于普遍存在的微生物DNA测序就可以推断出种群身份,功能和趋势,从而引发了许多努力来解构微生物如何促进宿主健康和疾病的研究。

随着这项技术随着时间的推移变得越来越容易获得和负担得起,近年来,在针对流行水产养殖生物的微生物组研究中已经看到了火花。迄今为止,已有几项研究在定义以下方面取得了重大进展:1)健康的微生物概况如何; 2)如何改变这些群落; 3)这些破坏的后果是什么; 4)特定的微生物种类或微生物群落的核心对宿主的健康或疾病做出了更多贡献。

在这些感兴趣的领域中获得的知识打开了一扇门:释放了监视,维护,调节和收获微生物群落(尤其是水产养殖物种)的潜力。随着水产养殖业的不断发展,对这个无形世界的认识可能是促进健康,增加养分吸收,预防疾病以及革新我们生产和维持优质供应方式的关键。

微生物知识提高水产养殖性能

真正的问题是:在世界范围内需要增加粮食产量的时候,微生物的知识能否改善健康和水生动物的生产?答案在于科学家和水产养殖者当前的研究和未来的探索状态。近年来,技术提高了微生物组测试的准确性和可承受性,并且它仍然是一个更加用户友好的平台。这种水产养殖方法的引入可以阐明特定生物相对于其水产养殖环境的独特微生物特征。

了解养殖水生生物的稳定微生物群可以提高我们监测那些社区的能力,以确保健康,良好的营养并预测可能的疾病状态。我们可以预测,不同鱼类之间的鱼类微生物群落是不同的,因此与水产养殖界共享有关微生物群的信息越多,我们就越有可能聚集在可能有助于营养的微生物物种或种群上。并保持健康

观点

专注于保护和促进那些有益健康的先天细菌物种,可以带来变革性的结果,从最大程度地吸收营养到生产高蛋白产量以及增强鱼类抵抗疾病的免疫系统。这将扩展到特定物种益生菌治疗方案的开发。

微生物益生菌制剂可以完全不依赖抗生素治疗。这可以减少抗生素向环境中的泄漏,抵消新出现的抗生素抗性细菌,并导致认真输出人口。

至少,将广谱抗生素与来自特定益生菌的添加剂结合可以减少鱼类种群中与抗生素相关的副作用的发生。考虑到水处理(以前被认为是安全的)如何杀死水产养殖中鱼类的微生物,它们对于维持大规模鱼类健康至关重要。

另外,让我们不要只局限于钓鱼。许多没有主干的物种可以通过了解微生物群在其生长和健康中的作用来改善其养殖。

最后,确定从肠道到腮的整个人体微生物种群的不同作用,可能会打开一系列信息宝库,这些信息将导致通过微生物群落促进健康的创新方法。了解这个隐藏的世界可能释放出一种潜力,可以完全改变水产养殖的作法。

致谢:UAB医学院的水生动物核营养与肥胖研究(P30DK056336)和微生物组资源部分支持这项研究。