養魚先養水 益菌多重要
水產益生菌功能及作用機制
隨著全球人口快速成長，對魚類蛋白質需求量日益增長，聯合國糧食及農業組織 (FAO)估計人類於2030 年需要魚類蛋白質達到4000 萬噸。現今海洋魚類過度捕撈造成生態造成不可逆轉損失，各國轉為依賴水產養殖供應來補足漁業資源匱乏。水產養殖產業近年也因全球氣候變遷，導致水產動物對病原菌抗病力大幅下降，更因濫用化學消毒藥及抗生素，產生環境汙染、抗藥性等問題，這也成為近年養殖業者發展上的瓶頸。
養殖過程所使用的化學消毒劑及抗生素，已有許多國家逐漸建立法規並有所限制，為了改善環境生態危機，也減少消費者對水產食品安全的疑慮。而如何在精準用藥的飼養過程中，同時提升水產動物之抗病力、生長性能，以及保持水質穩定，就成為眾多養殖業者關注的目標。
益生菌對水產世界的重要性
水生系統含蓋地下水、淡水、海水領域，其中細菌種類來源包含空氣、土壤、水體皆可觀察到，特別是水生動物胃腸道本具有10^2-10^9 CFU/g 之細菌含量，更突顯微生物對水產養殖的重要性。水產養殖過程注重三個方面包含環境、宿主、病原菌，許多因素組合也造成水產動物的不同的緊迫，包含生理性緊迫( 例如: 飼料轉換)、生物性緊迫( 例如: 飼養密度)、物理性緊迫( 例如: 水體溫度變動)，最終加劇了疾病爆發。
迄今許多科學研究專注於育種、飼料營養上已有豐富經驗。但面臨全球氣候變遷、病原菌感染是造成農民巨大損失的主要關鍵，水產動物的疾病控制，目前有疫苗可使用卻效果有限，主因為幼魚苗未成熟的免疫系統下接種疫苗，反而導致更高死亡率。在精準用藥對抗疾病的當下，許多研究開始投入微生物療法，期望能降低病原菌對水產動物的高致死率，同時提升魚類自體免疫來因應環境各種緊迫因子。
病原菌入侵魚體透過腸道、鰓、及皮膚等器官，特別腸道是水產動物重要的免疫器官，許多研究驗證了健康魚群腸道、環境中皆含有豐富有益菌存在，包含厚壁菌門種類之益生菌，例如: 乳酸菌 (Lactic acid bacteria, LAB) 、芽孢桿菌屬 (Bacillus sp.)。腸道菌群會受到不同飼料配方或型態而影響到菌群變動，如額外在水產動物飼料或環境中添加益生菌(Probiotic)，更能提升生長性能、改善消化率、提升免疫力之效益，如圖一。
水產益生菌產品種類多，使用方式分有飼料添加、水體投與，目前常使用的益生菌分別為- 芽孢桿菌屬(Bacillus sp.)、乳酸菌屬(Lactobacillus sp.)、腸球菌屬(Enterococcus sp.)、光合細菌 (Photosynthetic Bacteria)、釀酒酵母 (Saccharomyces cerevisiae) 等，如表一。
芽孢桿菌屬 (Bacillus sp.)
飼料打粒需經高溫條件，芽孢桿菌屬因有內孢子形式存在，相較於其他益生菌種類更對環境耐受性佳，特別是增殖速度快，即有效附著於腸道上競爭佔位。芽孢桿菌屬可分泌特殊抑菌物質，例如: 表面素(Surfactin)、伊枯草菌素 (Iturin)、豐原素(Fengycin) 等，同時利用物理性及化學性來抑制腸道及環境中病原菌。另外分泌消化酵素能力佳，不僅水產動物對飼料營養消化作用，並可提升底泥有機物之硝化作用，減少水體氨氮量、亞硝酸鹽濃度進而改善水體品質。
乳酸菌屬 (Lactobacillus sp.)
乳酸菌為於水產動物腸道內常駐菌，可利用腸道中的益生元 (Prebiotic) 作為營養來源進行增殖，並可分泌揮發性短鏈脂肪酸，降低腸道pH 值來抑制病原菌生長。許多研究指出乳酸菌菌體可刺激腸道免疫系統，並具有抗發炎、提升抗病力之效果。
光合細菌 (Photosynthetic bacteria)
光合菌菌體內具有葉綠素、類胡胡蔔素、維生素B 群等，並可行光合作用合成自身所需的醣類或能量，同時可作為水產動物食物來源，另對於含氮有機物質可快速分解減少堆積，對於水生環境具有淨化底泥、改善水質之功效。
水產益生菌功能包含
1. 物理性排除病原菌- 吸附於腸上皮細胞，佔位競爭排除。
2. 化學性排除病原菌- 分泌抑菌物質、短鏈脂肪酸抑制病原菌生長。
3. 分泌消化酵素，提升飼料營養的消化。
4. 刺激腸上皮細胞免疫反應。
5. 降低水體毒性物質，改善水質。
營養物質、附著位競爭
益生菌於動物腸道增殖過程，能快速黏附於腸上皮細胞，達到競爭排除病原菌之能力。並可藉由競爭不同養分而限制病原菌的數量。如細菌增殖過程需吸收微量元素維持生長，而鐵是細菌生長必需輔酶之一，益生菌可藉由合成環境中低分子量之螯鐵蛋白(siderophore)，可有效吸收及運輸三價鐵離子，來抑制病原菌生長。
分泌消化酵素
許多益生菌發酵過程會產生酵素，包括常見的蛋白酶、澱粉酶、纖維素酶、脂肪酶等，可提高水產動物對飼料營養消化及吸收。腸道微生物也是合成維生素及必需胺基酸的主角之一，因此平衡腸道菌群對健康和疾病有重要影響。
產製抑菌物質
許多益生菌在發酵過程可產製二次代謝物， 例如: 表面素 (Surfactin)、細菌素(Bacteriocins)、溶菌酶 (Lysozymes)、過氧化氫 (Hydrogen peroxide) 等，藉由破壞細菌細胞膜來進行抑菌及殺菌。有些益生菌則可產生有機酸及揮發性短鏈脂肪酸 ( 例如: 乳酸、乙酸、丁酸、丙酸)，可使胃腸道pH 值降低，從而抑制腸道病原菌生長。
免疫調節
水產動物抵禦感染第一道防線為先天性免疫反應，益生菌的定殖可刺激腸道淋巴組織(gut-associated lymphoid tissue，GALT) 進行IgT 抗體分泌並中和有害病原體，如圖二。益生菌菌體含肽聚醣 (peptidoglycan)、脂磷壁酸 (lipoteichoic acids)、S 層蛋白A (S-layer protein A)、胞外多醣 (exopolysaccharides) 等，皆具有辨識微生物相關分子(Microbe-Associated MolecularPatterns; MAMP) 之能力，可被膜結合模式識別受體(PPR) 辨認，並透由刺激免疫細胞( 例如:巨噬細胞、嗜中性白血球、自然殺手細胞等) 分泌細胞激素 (cytokines)，進行細胞及體液免疫調節，而促進水產動物對病原菌防禦提升，如圖二。
強化腸道屏障
可藉由上調緊密連結分子 (tight junction molecules) 的表達，增加腸道屏障完整性，不僅減少病原菌對腸上皮細胞的破壞，從而避免病原菌進入固有層分泌毒力分子，而所導致的敗血症及發炎反應。益生菌同時能產製丁酸可做為腸絨毛營養來源，有助提升腸道絨毛長度，更能促進營養的吸收。
改善水質
水產集約式養殖過程池底所堆積的排泄物、殘餌等有機物質，經由微生物分解而產生許多有毒物質( 例: 氨氮、亞硝酸鹽及硫化物等)，這些物質不僅造成環境負擔，更促使病原菌滋長。益生菌於水體中作用機制廣泛，包含分泌的消化酶可助於水產動物消化飼料中營養分子，提高消化率並減少底泥負擔。另可以藉由底泥有機物作為碳源將其含氮物質轉化，進而達到水質改善之效益。益生菌可透由飼料添加或投與水體的形式存在，快速增殖當下也分泌抑菌物質，抑制水中有害菌並促使水質環境優化。益生菌於水體中可扮演不同角色，不僅降低水產動物環境緊迫因素，也能減少二次性病原菌感染風險。
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