Các thành phần Probiotics, Prebiotics ở động vật thủy sản

 Tiến sĩ Daniel L. Merrifield

Nhóm Nghiên cứu Sức khỏe và Dinh dưỡng Động vật Thủy sản

Trường Khoa học Y sinh và Sinh học

Đại học Plymouth

A406 Portland Square, Drake Circus, Plymouth, Devon PL4 8AA, United Kingdom

Sử dụng thành phần probiotics là một phương pháp đầy hứa hẹn trong việc điều chỉnh hệ vi khuẩn đường ruột của cá. Hình ảnh cho thấy quần thể vi khuẩn được cấy từ đường ruột của một con cá hồi vân.

Tóm tắt:

Probiotic là một thành phần thức ăn bổ sung gồm các vi khuẩn sống để cải thiện sự cân bằng hệ vi sinh vật của vật chủ. Prebiotic là một thành phần thực phẩm không tiêu hóa được nhằm kích thích hoạt động của vi khuẩn trong đường ruột một cách có chọn lọc và nhờ đó cải thiện sức khỏe vật chủ. Nghiên cứu đã cho thấy các thành phần probiotics và prebiotics có thể hỗ trợ điều hòa các đáp ứng stress, tăng cường đề kháng bệnh, hiệu suất tăng trưởng, quá trình sử dụng thức ăn, thành phần thân thịt và các đặc điểm khác bằng cách kích thích hệ thống miễn dịch bẩm sinh của động vật.

Do lệnh cấm của Liên minh Châu Âu về việc sử dụng các chất kháng sinh kích thích tăng trưởng nên phải tìm kiếm các lựa chọn khác thân thiện môi trường để ngăn ngừa bệnh tật và thúc đẩy tăng trưởng cho cá nuôi. Các phương pháp để kiểm soát quần thể vi khuẩn có liên quan đến động vật thủy sản và môi trường nuôi của chúng để giảm thiểu các cấp độ mầm bệnh cơ hội đang trở thành một lĩnh vực nghiên cứu nổi bật.

Bộ gien của tất cả các vi sinh vật cư trú trong môi trường dạ dày cá

Trong mẫu tương tự như ở động vật có vú, hệ vi sinh vật ở dạ dày-ruột cá có thể được phân loại là các quần thể tại chỗ hoặc là quần thể ngoại lai. Vi khuẩn tại chỗ là các loài có thể chiếm cứ bề mặt biểu mô của vật chủ hoặc kết dính vào các vi nhung mao (lông ruột) mà có thể xem chúng là các quần thể thường trú tiềm tàng, trong khi các quần thể ngoại lai thì tạm trú ngắn ngày ở trong dạ dày. Đường dạ dày-ruột là một lộ trình xâm nhập tiềm tàng của nhiều loại mầm bệnh cá và phổ biến thông thường thì các quần thể vi khuẩn bản địa tạo thành hàng rào bảo vệ.

Loài cá đang tiến hóa một loạt các cơ chế bảo vệ hiệu quả để ngăn trở quá trình chiếm cứ, hoán chuyển và cuối cùng là sự lây nhiễm mầm bệnh ở lớp niêm mạc dạ dày-ruột. Các cơ chế này gồm có mức độ acid trong dạ dày, tiết dịch nhầy, vi môi trường acid của diềm bàn chải đỉnh, tốc độ thay thế tế bào và nhu động ruột. Vi khuẩn cũng phải vượt qua lớp chất nhầy là nơi tạo ra hàng rào kháng khuẩn hiệu quả nhờ đủ các loại thành phần chủ động bao gồm kháng thể, peptide kháng khuẩn, lysozyme (enzyme diệt khuẩn và một số virút), protein bổ thể, lectin và petraxin, trước khi các sự tương tác giữa tế bào chủ và vi khuẩn có thể xảy ra.

Vi khuẩn cũng đang lần lượt tiến hóa các hệ thống và cơ chế hiệu quả để vượt qua các thành phần kháng khuẩn này. Thật vậy, nhiều dòng vi khuẩn có thể bám dính và mọc trong dịch nhầy ruột cá. Trước khi vi khuẩn có thể chiếm cứ lớp dịch nhầy ruột, song chúng phải vượt qua được dạ dày và vượt trội các thành phần của hệ vi sinh vật bản địa.

Các quần thể vi sinh vật hội sinh trong dạ dày-ruột không đơn thuần đóng vai trò chính ở khả năng tống khứ các vi khuẩn gây bệnh bởi việc tạo ra một hàng rào bảo vệ tự nhiên. Sự hình thành của hệ vi sinh vật đường ruột bình thường và các quan hệ mật thiết với các tế bào biểu mô vật chủ bồi dưỡng hiệu quả các cơ chế điều chỉnh và kích thích sự phát triển của các mô bạch huyết ở ruột.

Mẫu cá ngựa vằn

Phần lớn sự hiểu biết của chúng tôi về các hệ thống phức tạp này ở cá là do công trình nghiên cứu đột phá với cá ngựa vằn, Danio rerio (tên khoa học), có lẽ đang trở thành mẫu quan trọng nhất đối với sự hiểu biết của chúng tôi về di truyền học củng cố thêm về sự phát triển, chức năng và bệnh tật của cá. Lấy thí dụ các nghiên cứu vô trùng với cá ngựa vằn đã chứng tỏ rằng hệ vi sinh vật đường ruột kích thích sản sinh nhanh biểu mô ruột và tác động đến biểu hiện của hơn 200 gien khác nhau liên quan tới một phạm vi rộng các chức năng sinh học, bao gồm sự chuyển hóa, phát triển, sao chép ADN và miễn dịch.

Cũng thật thú vị để nhận thấy rằng một số gien nhất định bị tác động không phụ thuộc bởi dạng chiếm cứ của vi khuẩn, còn biểu hiện của các gien khác cho thấy đã được các nhóm vi khuẩn đặc trưng kích hoạt. Điều này chỉ ra rằng ít nhất một tập hợp con của các gien cá ngựa vằn phản ứng lại với các yếu tố hiện diện chỉ ở một tập hợp con của các nhóm vi khuẩn được tìm thấy trong quần thể đường ruột.

Các nghiên cứu khác đã báo cáo rằng do sự thiếu vắng của hệ vi sinh vật đường ruột, biểu mô niêm mạc đường ruột của cá ngựa vằn không có khả năng để phân biệt một cách đầy đủ như được mô tả là thiếu tác dụng xúc tác của enzyme kiềm phosphatase ở diềm bàn chải, các dạng thiếu hoàn chỉnh của biểu diễn glycan và sự giảm rõ rệt của các tế bào hình đài và nội tiết ruột. Tác động cuối cùng là thiếu khả năng để hấp thu các đại phân tử protein. Tuy nhiên, đưa vào lại hệ vi sinh vật đường ruột có thể đảo ngược các thay đổi kiểu hình này.

                        Vi khuẩn có lợi sao chép           Đối chứng sao chép

Hình ảnh vi khuẩn này của đường ruột một con cá rô phi sau khi cho ăn bổ sung vi khuẩn sống probiotic P. acidilactici phát hiện thấy các thay đổi rõ ràng trong các nhóm vi khuẩn với đặc điểm là sự đa dạng vi khuẩn thấp hơn và các vi khuẩn sống probiotic hiện diện nhiều hơn ở cá được cho ăn với sản phẩm này.

Thành phần Probiotics, Prebiotics

Trong số nhiều phương pháp hứa hẹn nhất về việc điều chỉnh quần thể vi khuẩn dạ dày-ruột của cá là sử dụng các thành phần probiotics. Định nghĩa được thừa nhận phổ biến đầu tiên về probiotic là thành phần thức ăn bổ sung gồm các vi khuẩn sống có lợi cho vật chủ bằng cách cải thiện sự cân bằng hệ vi khuẩn của vật chủ. Tuy nhiên, định nghĩa về probiotics trong nuôi trồng thủy sản đang có phần nào đó gây tranh luận và thiếu dứt khoát so với định nghĩa đã đưa ra đối với động vật trên cạn.

Vì cá được nuôi ở môi trường nước nên cũng nuôi sống các nhóm vi khuẩn, khác với các động vật trên cạn, có một cuộc thảo luận liên quan đến việc sử dụng vi khuẩn nên được đưa vào qua nước nuôi và hay là quá trình điều chỉnh các nhóm vi khuẩn ở trong nước nuôi hoặc các thông số nước/hóa học hay không, đều thuộc trong phạm vi định nghĩa về probiotic.

Theo truyền thống đã đưa ra thì các vi khuẩn phản kháng lại các vi khuẩn gây bệnh là các tác nhân kiểm soát sinh học, nhưng lại không nhận thấy đó là để hình thành như một phần thuộc hệ gien của tất cả các vi sinh vật cư trú trong môi trường dạ dày-ruột. Sử dụng vi khuẩn nhằm cải thiện chất lượng nước nuôi nhờ việc phá vỡ chất thải hoặc các chất gây ô nhiễm, hoặc các phương pháp khác theo thuật ngữ gọi là phương pháp tăng cường sinh học hoặc là phương pháp bù đắp sinh học.

Ngược lại, nhất quán theo định nghĩa ứng dụng cho động vật trên cạn, định nghĩa về prebiotic ứng dụng cho thủy sản vẫn nói rằng prebiotic là thành phần thực phẩm không tiêu hóa được có lợi cho vật chủ bằng cách kích thích tăng trưởng và/ hoặc hoạt động của một hay một số lượng giới hạn vi khuẩn có lợi trong đường ruột một cách có chọn lọc và nhờ thế cải thiện sức khỏe vật chủ. Trong khi nhiều cuộc điều tra nghiên cứu đang tập trung vào việc ứng dụng prebiotic ở động vật thủy sản, thì có rất ít thông tin có thể tìm được đối với probiotics.

Các lợi ích nuôi trồng thủy sản

Sử dụng thành phần probiotics và prebiotics cho cá và động vật có vỏ hiện nay là tâm điểm của các nghiên cứu điều tra phối hợp. Các ứng dụng như thế đã cho thấy cải thiện tình trạng sức khỏe, đề kháng bệnh tật, hiệu suất tăng trưởng, sử dụng thức ăn, thành phần thân thịt, hình thái học dạ dày, các hoạt tính enzyme tiêu hóa, các hoạt tính enzyme chống oxy hóa, biểu hiện gien và tỉ lệ sống ấu trùng. Thành phần prebiotics và probiotics cũng có thể làm giảm các dị tật, mức cholesterol trong máu thấp hơn, điều chỉnh bộ gien của tất cả các vi sinh vật cư trú trong môi trường dạ dày và điều hòa các đáp ứng stress (căng thẳng).

Thực vậy, một lượng dữ liệu lớn minh họa các lợi ích tiềm năng liên quan đến việc kích thích hệ thống miễn dịch bẩm sinh ở cả hai cấp độ khu trú và toàn thân. Do đó và có thể kết hợp với quá trình điều chỉnh hệ vi khuẩn, việc đề kháng miễn dịch cao chống lại diện rộng các mầm bệnh liên quan trong nuôi trồng thủy sản đã từng được quan sát ở cá hồi, cá vược Châu Âu, cá tráp vàng, cá chép, cá rô phi, cá da trơn châu Phi, cá nheo, tôm và nhiều loài thủy sản nuôi khác.

Các kết quả này thu được thường sử dụng điều kiện bể nuôi thực nghiệm, nhưng một số nghiên cứu gần đây đã và đang bắt đầu làm sáng tỏ các lợi ích ở mức độ nuôi công nghiệp. Hiểu theo đúng nghĩa, nhiều công thức thức ăn thương phẩm hiện nay thông thường có thành phần probiotics hoặc prebiotics. Trong tương lai ngắn và trung hạn, các hàm ý kinh tế đầy đủ về các thức ăn bổ sung này sẽ trở nên rõ ràng.

Triển vọng tương lai

Ứng dụng vi sinh cho cá đang thu được nhiều sự quan tâm và ngày nay một số lượng lớn các nghiên cứu đang chứng minh lợi ích tiềm năng của vi sinh đối với vật chủ thủy sản. Tuy nhiên, các nghiên cứu này bình thường ở cơ sở thí nghiệm hoặc được thực hiện ở điều kiện các bể nuôi quy mô nhỏ và vì thế hiệu quả ở mức độ nuôi công nghiệp cần được xác định.

 Ngoài ra, do nhiều cơ chế phân tử nền tảng và lộ trình tín hiệu được nhận biết kém – do là tác động của các vi khuẩn bản địa – khả năng tái sinh của các ứng dụng này thường có vấn đề. Các nghiên cứu tương lai phải chỉnh sửa lại các vấn đề này về việc sử dụng các động vật vô trùng, các kỹ thuật metagenomics (phân tích bộ gien hoàn chỉnh) and post-genomic (hậu gien).

Phòng Kỹ thuật A.T.C

Theo Advocate – Tạp chí thủy sản nuôi toàn cầu tháng 1-2/2012