English
Lựa chọn và ứng dụng probiotics để nâng cao khả năng kháng bệnh
Hiểu rõ hơn về các cơ chế loại trừ cạnh tranh và ứng dụng của chúng để cải thiện việc lựa chọn và ứng dụng probiotics là chìa khóa để nâng cao chiến lược quản lý vi sinh vật hiệu quả trong nuôi tôm. Ảnh của Darryl Jory.
Probiotics – vi sinh vật sống mang lại lợi ích sức khỏe cho vật chủ khi được cung cấp với một lượng thích hợp – đang ngày càng trở thành một lựa chọn thay thế kháng sinh phổ biến trong việc thúc đẩy tăng trưởng và ngăn ngừa dịch bệnh trong nuôi tôm. Mặc dù kiến thức về cơ chế hoạt động chính xác của probiotic còn hạn chế, nhưng bằng chứng rõ ràng rằng chúng có thể có ích thông qua việc cạnh tranh loại trừ các vi khuẩn gây bệnh, tăng cường các phản ứng miễn dịch của tôm và tác dụng kháng virus, cũng như đóng góp chất dinh dưỡng và enzym vào quá trình tiêu hóa của tôm.
Khoảng 20 giống vi khuẩn đã được chứng minh là vi khuẩn có lợi đối với tôm, mặc dù hầu hết các nghiên cứu đều tập trung vào Bacillus và vi khuẩn lactic (LAB) như Lactobacillus do sự phổ biến và ứng dụng thành công của chúng như probiotics ở động vật có vú và gia cầm. Probiotics có thể được sử dụng thông qua đường tiêu hóa cùng với thức ăn (bao gồm sự chuyển hóa sinh học với các thức ăn sống như artemia), trực tiếp vào nước dưới dạng nuôi cấy hoặc bào tử đã được tinh chế, hoặc trong môi trường tăng trưởng lên men.
Các loài probiotic thường được phân lập từ ruột của tôm, nguồn nước nuôi hoặc trầm tích từ môi trường xung quanh chúng. Nhưng bên cạnh đó, chúng cũng được phân lập từ quá trình xử lí chất thải trái cây, sữa đông, đậu nành lên men và dưa chua, và ruột của một số loài khác. Ví dụ, probiotic Lactobacillus ở tôm đã được phân lập từ các đường tiêu hóa của gà và cá. Các phương pháp xử lý probiotic thương mại phần lớn chứa LAB và Bacillus spp., cũng đã được thử nghiệm về tác dụng probiotic của chúng trên tôm.
Xem xét sự gia tăng của việc kháng thuốc kháng sinh (dự đoán có thể dẫn đến 10 triệu ca chết chóc vào năm 2050 nếu tình trạng hiện tại tiếp tục tiếp diễn, theo Meade và cộng sự, năm 2020), những hiểu biết tiềm năng thu được từ các cuộc điều tra như vậy vượt xa lĩnh vực probiotics trong nuôi tôm, bởi vì các loài probiotic này tạo ra các chất kháng khuẩn chưa được xác định, làm cho chúng trở thành một chất lý tưởng cho nghiên cứu sinh học đối với các phương pháp điều trị kháng khuẩn mới.
Bài báo này – được chỉnh sửa và tóm tắt từ bài báo gốc (theo Knipe, H. và cộng sự, năm 2020. Probiotics và sự cạnh tranh loại trừ mầm bệnh trong nuôi tôm. Riviews in Aquaculture, tập 12 (3):1-29) – sự hiểu biết hiện tại về các cơ chế loại trừ cạnh tranh và ứng dụng của chúng để cải thiện việc lựa chọn và ứng dụng probiotics, hướng tương lai cho việc lựa chọn và ứng dụng probiotics trong việc phát triển các chiến lược quản lý vi sinh vật hiệu quả trong nuôi tôm.
Cạnh tranh loại trừ vi khuẩn gây bệnh
Loại trừ cạnh tranh là trường hợp các loài vi khuẩn cùng xuất hiện trong cùng một vùng sinh thái cạnh tranh với nhau để giành các nguồn chất dinh dưỡng và không gian thông qua hai hướng cạnh tranh: cạnh tranh khai thác và cạnh tranh xâm chiếm. Cạnh tranh khai thác là hình thức cạnh tranh gián tiếp, điển hình là tiêu thụ dinh dưỡng nhanh chóng (hạn chế cung cấp cho đối thủ cạnh tranh và đầu tư vào tăng trưởng), trong khi cạnh tranh xâm chiếm diễn ra khi một sinh vật này trực tiếp gây hại cho một sinh vật khác, ví dụ, thông qua việc sản xuất các hợp chất kháng vi sinh vật.
Cạnh tranh khai thác bao gồm các cơ chế làm tăng sự hấp thụ và sử dụng các chất dinh dưỡng so với các đối thủ cạnh tranh. Việc hấp thụ chất dinh dưỡng có thể được cải thiện bằng cách tiết ra các phân tử ngoại bào để phá vỡ các đại phân tử phức tạp, làm cho các chất dinh dưỡng dễ tiếp cận hơn. Các phân tử bài tiết ngoại bào này bao gồm các enzym và các hợp chất tiếp cận với sắt không hòa tan.
Những cơ chế này có thể được coi là đặc điểm thích nghi, vì “các sản phẩm công cộng” được sản xuất ra có thể tiếp cận được với tất cả và mang lại lợi ích cho một cộng đồng. Không phải tất cả các cá thể của quần thể đều nhất thiết phải đầu tư nguồn lực vào việc sản xuất các hợp chất, và vi khuẩn sản xuất nguyên liệu để hấp thu chất dinh dưỡng dễ bị ảnh hưởng bởi sự cạnh tranh giữa các loài hoặc bên trong các loài cụ thể từ những loài khác, những loài góp phần vào việc tiết kiệm dinh dưỡng và đầu tư dinh dưỡng vào sự phát triển.
Hiệu quả và tốc độ vi sinh vật sử dụng các chất dinh dưỡng có thể cung cấp một lợi thế cạnh tranh khác. Việc phân bổ nguồn lực một cách tối ưu có thể tối đa hóa tốc độ tăng trưởng. Ví dụ, sự chuyển đổi giữa các cách trao đổi chất tùy thuộc vào sự sẵn có của chất nền, chẳng hạn như từ quá trình hô hấp mang lại năng lượng cao hơn quá trình lên men, ngay cả khi lượng glucose dư thừa, để tối đa hóa tốc độ tăng trưởng. Hiện tượng này, được gọi là “chuyển hóa tràn”, đã được quan sát thấy ở một số loài vi khuẩn và nấm phát triển nhanh.
Cạnh tranh khai thác không gian có thể đạt được thông qua việc xâm chiếm nhanh chóng các vị trí không có sinh vật cư trú, hoặc thông qua cạnh tranh với các quần thể đã được thiết lập. Việc sản xuất các hợp chất và thụ thể liên kết với các đặc điểm bề mặt cụ thể có thể mang lại lợi thế cạnh tranh cho việc xâm chiếm các vị trí trống, cũng như ngăn chặn sự di dời của những quần thể xâm chiếm. Hơn nữa, mặc dù sự gắn kết làm giảm tính di động, nhưng nó là yếu tố quan trọng đối với sự hình thành màng sinh học (các quần thể vi sinh vật bám trên bề mặt).
Việc mở rộng các tế bào kết dính trong màng sinh học cũng có thể hỗ trợ việc loại bỏ các tế bào không kết dính khỏi quần thể. Sự tập hợp tế bào của cùng một kiểu gen cũng có thể cung cấp một lợi thế cạnh tranh khác bằng cách chia sẻ tài nguyên và tăng khả năng chống chịu với các chất kháng sinh. Tuy nhiên, có sự cạnh tranh mạnh mẽ trong các màng sinh học này, trong đó các chất dinh dưỡng trở nên hạn chế trong khu vực. Mặt khác, để cạnh tranh với sự hình thành màng sinh học, nhiều loài sinh ra các phân tử mà những phân tử này có thể kích thích sự phát tán của các loài khác một cách chủ động (mà không giết chết chúng). Ngoài ra, một số loài có thể phá vỡ sự hình thành màng sinh học.
Sự cạnh tranh xâm chiếm thường liên quan đến việc sản xuất chất kháng sinh và có bằng chứng thực nghiệm đáng kể để hỗ trợ giả thuyết rằng thuốc kháng sinh chủ yếu được sử dụng làm vũ khí. Thật hợp lý khi một số loài đã tiến hóa chỉ sử dụng một số chất kháng khuẩn nhất định làm vũ khí, trong khi những loài khác có nhiều chức năng.
Mặc dù hầu hết các probiotics trong nuôi tôm đều được sàng lọc và lựa chọn để thử nghiệm dựa trên khả năng đối kháng với vi khuẩn gây bệnh trong ống nghiệm, nhưng rõ ràng nghiên cứu được báo cáo rằng thông tin về cơ chế mà quá trình ức chế tăng trưởng này diễn ra còn bị giới hạn. Ngoài ra, việc đầu tư năng lượng vào các cơ chế xâm chiếm (sản xuất các chất kháng khuẩn ngoại bào) của probiotics cho tôm ngụ ý rằng chúng có thể là mục tiêu hữu ích cho nghiên cứu sinh học đối với các phương pháp điều trị kháng sinh mới.
Cân nhắc khi lựa chọn probiotics cho tôm
Hầu hết các probiotics được sử dụng trong nuôi tôm có thể được xem là những loài sống cạnh tranh, bởi vì chúng thường được lựa chọn dựa trên khả năng sản xuất các chất kháng khuẩn ngoại bào. Các hoạt động trong ao nuôi tôm có thể bị xáo trộn bởi các biện pháp xử lý hóa chất, các biến đổi thời tiết và dịch bệnh, do đó, những probiotics này không phải lúc nào cũng là sự lựa chọn hiệu quả nhất. Thay vào đó, một số biến đổi và gián đoạn của môi trường nhất định có thể tạo điều kiện cho sự gia tăng của những loài sống “cơ hội” (loài phát triển mạnh trong tình huống bị xáo trộn với cường độ cao và căng thẳng ở cường độ thấp).
Để cân bằng được sự xáo trộn này, cần có những cách xử lý thích hợp để làm cho probiotics (loài sống cạnh tranh) trong quần thể vi sinh vật đạt được mức độ phong phú và hiệu quả như mong muốn. Điều này có thể ảnh hưởng đến cấu trúc quần thể vi sinh vật của hệ thống và tiếp tục hỗ trợ những loài sống “cơ hội” hướng vào các cơ chế khai thác. Việc sử dụng probiotic không đúng cách có thể tạo điều kiện thuận lợi cho sự xâm nhập của mầm bệnh, ví dụ như sử dụng các loài cạnh tranh với các loài bản địa có ích hoặc làm thay đổi cấu trúc hoặc chức năng tổng thể của quần thể.
Do đó, cần làm sáng tỏ các cơ chế nâng cao hiệu quả tăng trưởng và các chiến lược cạnh tranh được sử dụng bởi các loài vi sinh vật có khả năng gây bệnh và probiotic, cũng như hiểu các điều kiện môi trường tối ưu của chúng trong việc phát triển các chiến lược quản lý vi sinh vật hiệu quả nhất để có thể vừa ngăn ngừa và vừa trị bệnh. Ví dụ: việc điều chỉnh phương pháp xử lý bệnh để chúng chứa các loài hoặc các chủng có thể cạnh tranh loại trừ các mầm bệnh cụ thể bằng cách sử dụng nhiều cơ chế làm tăng khả năng loại trừ mầm bệnh, đặc biệt nếu mầm bệnh trở nên kháng với một cơ chế hoặc có sự xâm nhập của một mầm bệnh mới hoặc mầm bệnh cơ hội.
Patin và cộng sự (2016) đã thiết kế một quy trình làm việc nhằm xác định xem liệu sự cạnh tranh xâm nhập hoặc cạnh tranh khai thác có được thực hiện hay không bằng cách sử dụng một loạt các xét nghiệm ức chế đơn giản. Việc áp dụng quy trình làm việc này cung cấp một cách đơn giản và hiệu quả về chi phí để đánh giá chiến lược cạnh tranh có khả năng được sử dụng bởi các loại probiotic trên sinh vật sống, mặc dù các nghiên cứu trong tương lai có thể xem xét mức độ mà các mô hình trong phòng thí nghiệm (cơ chế đối kháng) thể hiện chính xác sự tương tác của chúng với mầm bệnh, và các đối thủ cạnh tranh khác trên cơ thể sinh vật. Việc phân biệt này rất quan trọng khi xem xét các loại (các đặc tính mong muốn) của probiotic để áp dụng cho các điều kiện cụ thể; ví dụ, để cải thiện khả năng kháng bệnh trước sự xâm nhập của mầm bệnh, hoặc để đối phó với sự xáo trộn của môi trường, chẳng hạn như dịch bệnh.
Về mặt lý thuyết, các loài sống cạnh tranh sẽ phù hợp hơn với phương pháp dự phòng, vì chúng được lựa chọn trong môi trường không bị xáo trộn, trong khi các loài sống cơ hội sẽ được áp dụng tốt nhất để giảm mức độ nghiêm trọng của bệnh, vì chúng được lựa chọn trong môi trường bị xáo trộn. Điều này cũng nhấn mạnh tầm quan trọng của việc áp dụng lý thuyết sinh thái để phát triển probiotic một cách hiệu quả để phòng bệnh trong nuôi tôm.
Việc xác định probiotic tiềm năng dựa trên việc sử dụng các phương pháp hạn chế, chẳng hạn như chiết xuất không tế bào hoặc xét nghiệm khuếch tán độc quyền, là chiến lược cạnh tranh dựa trên sự xâm nhập có chọn lọc do đặc tính kháng khuẩn (và khuếch tán) của các chất chuyển hóa ngoại bào. Các điều kiện nuôi cấy của các probiotics tiềm năng có thể không kích thích sản xuất hợp chất ức chế hoặc làm tăng hoạt tính của hợp chất.
Những hạn chế của các phương pháp lựa chọn probiotic dựa trên nuôi cấy, kết hợp với sự tập trung hiện tại vào khả năng của các loài probiotic để ức chế sự phát triển của các loài Vibrio, có thể bỏ qua khả năng của nhiều loài probiotic giả định trong nuôi tôm. Trong khi các loài Vibrio gây bệnh chắc chắn là mục tiêu quan trọng để các probiotic tiềm năng đối kháng, việc sàng lọc dựa trên sự ức chế tăng trưởng trong phòng thí nghiệm của một số ít mầm bệnh cụ thể (Vibrio) có thể vô tình tách các loại (chiến lược cạnh tranh) probiotics có sẵn trên tôm.
Do đó, quan tâm nhiều hơn đến việc mô tả các cơ chế cơ bản mà probiotic ức chế sự phát triển của các mầm bệnh này trong ống nghiệm, kết hợp với sự hiểu biết ngày càng cao về tác dụng của chúng trong cơ thể sống, sẽ cho phép việc đánh giá và phát triển các phương pháp sàng lọc và lựa chọn tốt hơn. Xử lý bằng probiotic có thể thay đổi cấu trúc quần thể vi sinh vật trong ruột tôm và tạo ra khả năng chống lại các mầm bệnh như V. parahaemolyticus.
Vi khuẩn Vibrio spp. có thể làm tăng nguy cơ mắc bệnh trong trường hợp bị một loài khác xâm nhập mà probiotic không thể ức chế, do đó, probiotics nhắm mục tiêu cụ thể vào Vibrio spp. bằng cách giảm khả năng các cá thể khác của quần thể vi khuẩn cung cấp các đặc điểm đối kháng. Về mặt lý thuyết, việc kích thích phản ứng miễn dịch của tôm bằng các probiotics như vậy sẽ giảm thiểu một số tác động này. Tuy nhiên, vẫn còn phải thử nghiệm rằng probiotic với những tác dụng như vậy có thể tăng cường khả năng chống lại nhiều mầm bệnh khác nhau.
Xu hướng hiện nay là xác định các probiotics mới, và nghiên cứu đã đề xuất rằng cần nhấn mạnh vào việc phát triển các phương pháp bổ sung, không phụ thuộc vào việc nuôi cấy, các phương pháp xác định và mô tả đặc tính của probiotic tiềm năng. Với khả năng chi phí ngày càng cao của các phương pháp giải trình tự, việc giải trình tự toàn bộ bộ gen của các loài probiotic sẽ mang lại lợi ích cho sự hiểu biết của chúng ta về các cơ chế tiềm ẩn về các tác dụng của probiotic và cho phép chúng ta đưa ra quyết định sáng suốt hơn về sự phù hợp của chúng.
Hơn nữa, metagenomic (nghiên cứu vật liệu di truyền được thu trực tiếp từ các mẫu trong môi trường), transcriptomic (khoa học định lượng bao gồm việc chỉ định danh sách các chuỗi (“nghiên cứu”) cho đối tượng (“bản sao” trong bộ gen)), và metatranscriptomic (khoa học nghiên cứu sự biểu hiện gen của vi sinh vật trong môi trường tự nhiên), các nghiên cứu được bổ sung bởi proteomics, sẽ cho phép việc điều tra, đánh giá và phát triển kỹ lưỡng hơn các phương pháp xử lý probiotic trong nuôi tôm.
Kết luận và quan điểm trong tương lai
Probiotics trong nuôi tôm thường được sàng lọc và lựa chọn để thử nghiệm trên cơ thể sinh vật dựa trên khả năng cạnh tranh loại trừ mầm bệnh trong thí nghiệm. Có rất ít nghiên cứu nổ lực trong việc xác định các cơ chế cơ bản liên quan đến việc ức chế sự phát triển của vi khuẩn; tuy nhiên, chúng minh họa một cách tổng thể tầm quan trọng của việc hiểu rõ nguyên nhân cơ bản (tập hợp các phân tử hữu cơ, được bao quanh bởi một lớp màng, liên kết với nhau thành những vật chất sống) – tương tác với mầm bệnh, xác định các đặc điểm cụ thể của các chủng và không ngoại trừ các chủng hoặc các loài có liên quan. Điều này đặc biệt quan trọng trong việc đánh giá tính an toàn và tính phù hợp của probiotic để sử dụng cho động vật dùng làm thức ăn cho con người, và cần xem xét việc điều tra tác động của việc sử dụng probiotic đối với các mầm bệnh gây hại.
Việc áp dụng các phương pháp giải trình tự bổ sung như giải trình tự toàn bộ bộ gen của các loài probiotic sẽ hỗ trợ cho việc đánh giá này. Các xét nghiệm đối kháng được sử dụng để sàng lọc probiotic trong nuôi tôm dựa trên việc cảm nhiễm với Vibrio và ưu tiên lựa chọn các cơ chế dựa trên sự xâm nhập, điều này có thể dẫn đến tiềm năng của nhiều loại probiotics bị bỏ quên và làm tăng nguy cơ mầm bệnh xâm nhập. Để giải quyết vấn đề này, các nghiên cứu trong tương lai nên tập trung vào việc mở rộng các phương pháp sàng lọc probiotic (bao gồm cả việc phát triển các phương pháp tiếp cận độc lập với nuôi cấy) để bao gồm nhiều loài hơn sử dụng cơ chế khai thác và các mầm bệnh với các cơ chế gây bệnh khác nhau.
Thay đổi phương pháp xử lý bệnh để cơ thể chứa các loài hoặc các chủng cạnh tranh loại trừ các mầm bệnh cụ thể bằng cách sử dụng nhiều cơ chế sẽ làm tăng xác suất loại trừ mầm bệnh thành công; đặc biệt nếu mầm bệnh trở nên kháng thuốc, hoặc có sự xâm nhập của mầm bệnh mới (hoặc mầm bệnh cơ hội). Tác động của việc xử lý bằng probiotic lên hệ vi sinh vật đường ruột của tôm và khả năng kháng bệnh cũng cần được xem xét kỹ lưỡng để tránh làm giảm sự phong phú của các loài quan trọng về mặt sinh thái khác. Cần đặc biệt quan tâm đến việc xác định và thử nghiệm các probiotics có thể ngăn ngừa sự xuất hiện của mầm bệnh với những ảnh hưởng hạn chế đến cấu trúc và chức năng của quần thể vi sinh vật.
Ngoài ra, hiệu quả của phương pháp xử lý bệnh có thể được cải thiện bằng cách xem xét chiến lược sống cạnh tranh của các loài probiotic. Các nghiên cứu trong tương lai nên kiểm tra điều này bằng cách xác nhận các chiến lược cạnh tranh được sử dụng trong cơ thể và thiết kế các thử nghiệm thách thức mầm bệnh để so sánh các tác động của việc sử dụng probiotic, trước và khi có sự xuất hiện của bệnh hoặc sự biến đổi của các yếu tố môi trường, đối với hệ vi sinh vật đường ruột của tôm và khả năng kháng bệnh.
Theo Hazel Knipe, Tiến sĩ Ben Temperton, Tiến sĩ Anke Lange, Tiến sĩ David Bass, và Tiến sĩ Charles R. Tyler.
Biên dịch: Huyền Thoại – Công ty TNHH PTTS Bình Minh
“Tôm Giống Gia Hóa – Chìa Khóa Thành Công”
Xem thêm:
- Đánh Giá Ảnh Hưởng Của Stress Gây Ra Do pH Lên Tôm Thẻ Chân Trắng Sau Thời Gian Dài
- Định Nghĩa – Ứng Dụng Của Prebiotics Và Probiotics
- Ứng Dụng Của Sybiotics (Probiotics Và Prebiotics) Trong Việc Phát Triển Ngành Nuôi Trồng Thủy Sản