DOI: https://doi.org/10.3389/fmars.2024.1499228
تاريخ النشر: 2024-12-10
المؤلف: Muhammad Fachri وآخرون
الموضوع الرئيسي: إدارة الأمراض في تربية الأحياء المائية والميكروبيوتا
نظرة عامة
تستعرض هذه المراجعة الاهتمام المتزايد في البروبيوتيك والبارابروبيوتيك كبدائل للمضادات الحيوية في تربية الأحياء المائية، مع التأكيد على قدرتها على تعزيز صحة الأسماك والوقاية من الأمراض في ظل توسع الصناعة. لقد أظهرت البروبيوتيك، بما في ذلك سلالات مثل *Arthrobacter*، *Bacillus*، *Lactobacillus*، *Bifidobacterium*، و*Clostridium*، فوائد في تعزيز النمو، مقاومة الأمراض، تقليل الإجهاد، وإدارة جودة المياه. ومع ذلك، يجب معالجة التحديات مثل الاستقرار، خصوصية المضيف، والقضايا التنظيمية لتحسين تطبيقها. تقدم البارابروبيوتيك، التي تتكون من خلايا ميكروبية غير قابلة للحياة، بديلاً أكثر أمانًا من خلال الاحتفاظ بالقدرة على تعديل الجهاز المناعي وتحسين صحة الأمعاء دون المخاطر المرتبطة بالبروبيوتيك الحية.
تسلط المراجعة الضوء على الآليات التي تؤثر من خلالها البروبيوتيك والبارابروبيوتيك على ميكروبيوتا الأمعاء، وتنتج مركبات مضادة للميكروبات، وتعزز الاستجابة المناعية في الأسماك. تدعو إلى نهج منهجي يجمع بين البحث، الابتكار، والتعاون لدمج هذه الميكروبات بشكل فعال في ممارسات تربية الأحياء المائية. تشير النتائج إلى أن البروبيوتيك والبارابروبيوتيك لا تعزز فقط الهضم وامتصاص المغذيات ولكن أيضًا تحسن مقاومة الأمراض ضد مختلف العدوى. كما تم الإشارة إلى إمكانيات البروبيوجينوميكس لتطوير سلالات بروبيوتيك مستهدفة مصممة خصيصًا لأنواع الأسماك وبيئاتها، إلى جانب النتائج الواعدة للمنتجات المتاحة تجاريًا في تحسين نمو الأسماك، ومعدلات البقاء، وجودة المياه، مما يدعم ممارسات تربية الأحياء المائية المستدامة.
مقدمة
تسلط مقدمة هذه الورقة البحثية الضوء على النمو السريع لقطاع تربية الأحياء المائية، الذي ينتج حوالي 160 مليون طن من الأسماك المستزرعة بقيمة تقدر بحوالي 80 مليار دولار أمريكي سنويًا. يرافق هذا التوسع تحديات، خاصة تفشي الأمراض المرتبطة بكثافة التخزين العالية. أثارت استراتيجيات إدارة الأمراض التقليدية، مثل المضادات الحيوية، مخاوف بشأن مقاومة المضادات الحيوية والآثار السلبية على كل من الكائنات المائية والبشر، مما دفع الاتحاد الأوروبي إلى حظر استخدام المضادات الحيوية في تربية الأحياء المائية منذ عام 2003. ونتيجة لذلك، ظهرت البروبيوتيك والبارابروبيوتيك كبدائل صديقة للبيئة، تقدم الوقاية المعتمدة على المناعة وفوائد صحية للأسماك.
تعرف منظمة الصحة العالمية ومنظمة الأغذية والزراعة البروبيوتيك بأنها ميكروبات حية تمنح مزايا صحية عند إعطائها بكميات كافية، وقد أظهرت آثارًا إيجابية على صحة الأسماك، بما في ذلك تحسين النمو، مقاومة الأمراض، وإدارة الإجهاد. تم تحديد أنواع بكتيرية مختلفة، مثل Bacillus وLactobacillus، على أنها مفيدة في تربية الأحياء المائية. تكتسب البارابروبيوتيك، أو الخلايا الميكروبية غير القابلة للحياة، اهتمامًا لسلامتها وقدرتها على تعديل الجهاز المناعي دون المخاطر المرتبطة بالبروبيوتيك الحية. يمثل إدخال البروبيوجينوميكس نهجًا جديدًا لتعزيز فعالية هذه التطبيقات الميكروبية من خلال تحديد وتحسين سلالات البروبيوتيك المصممة خصيصًا لأنواع الأسماك المحددة. تهدف هذه المراجعة إلى توضيح الأدوار الوقائية للبروبيوتيك والبارابروبيوتيك في تربية الأحياء المائية ومناقشة التقدم في البروبيوجينوميكس الذي يمكن أن يحدث ثورة في إدارة صحة الأسماك.
طرق
تشمل الطرق المستخدمة في فحص البروبيوتيك المحتمل للاستخدام في تربية الأحياء المائية للأسماك عملية متعددة الخطوات تهدف إلى ضمان السلامة والفعالية. في البداية، يتم عزل الميكروبات من مصادر متنوعة مثل الجهاز الهضمي (GIT) للأسماك الصحية، والبيئات المائية، والمنتجات المخمرة. تخضع هذه العزلات للاختبار في المختبر لتقييم خصائصها البروبيوتيكية، مع التركيز على قدرتها على البقاء في ظروف تحاكي أمعاء الأسماك، بما في ذلك انخفاض درجة الحموضة ووجود أملاح الصفراء. تشمل معايير الفحص الرئيسية النشاط المضاد للميكروبات ضد مسببات الأمراض السمكية، الالتصاق بالمخاط المعوي، وإنتاج مركبات مفيدة مثل الإنزيمات الهضمية والفيتامينات. تعتبر تقييمات السلامة ضرورية، حيث يتم تقييم مقاومة المضادات الحيوية وغياب عوامل الضراوة.
بعد التقييمات الناجحة في المختبر، تتقدم المرشحات الواعدة إلى تجارب حية في أنواع الأسماك المستهدفة، حيث يتم قياس آثارها على أداء النمو، الاستجابة المناعية، ومقاومة الأمراض. يتم تحليل معايير مثل زيادة الوزن، ومعدل النمو المحدد (SGR)، ونسبة تحويل العلف (FCR)، إلى جانب مقاييس المناعة مثل نشاط الليزوزيم والاستجابة البلعومية. يتم أيضًا فحص التأثير على تركيب ميكروبيوتا الأمعاء وخصائص الأمعاء باستخدام تقنيات جزيئية. في المراحل النهائية من الفحص، يتم تقييم الخصائص التكنولوجية للسلالات المختارة، لضمان قابليتها للحياة في ظروف تربية الأحياء المائية. مع تطور البحث، يتم دمج منهجيات مبتكرة، بما في ذلك التسلسل عالي الإنتاجية وتقنيات الأوميكس، لتعزيز فهم تفاعلات البروبيوتيك مع المضيف وتحديد مرشحين جدد لتحسين صحة الأسماك وإنتاجية تربية الأحياء المائية.
مناقشة
في قسم المناقشة من الورقة البحثية، يستكشف المؤلفون أدوار البروبيوتيك والبارابروبيوتيك في تربية الأحياء المائية، مع التأكيد على أهميتها في تعزيز صحة الأسماك ونموها. يتم تقييم البروبيوتيك، التي يتم الحصول عليها عادة من بيئة الأسماك، لخصائصها المفيدة من خلال اختبارات متنوعة. لقد أظهرت أنها تحسن صحة الأمعاء، أداء النمو، والاستجابات المناعية في أنواع الأسماك من خلال تعديل ميكروبيوتا الأمعاء وإنتاج مركبات مضادة للميكروبات. من الجدير بالذكر أن البارابروبيوتيك، التي هي خلايا بكتيرية غير قابلة للحياة، تقدم فوائد مماثلة دون المخاطر المرتبطة بالبروبيوتيك الحية، مثل نقل الجينات. يمكن أن تعزز تعديل المناعة، وظيفة الحاجز، وامتصاص المغذيات، مما يجعلها بديلاً واعدًا في ممارسات تربية الأحياء المائية.
تسلط الورقة الضوء أيضًا على الآليات التي تؤثر من خلالها البروبيوتيك والبارابروبيوتيك، بما في ذلك الاستبعاد التنافسي للمسببات، تعديل الجهاز المناعي، وإنتاج مركبات مضادة للميكروبات. على سبيل المثال، يمكن أن تنتج البروبيوتيك مواد مثل البكتيريوسين والأحماض العضوية التي تثبط نمو المسببات، بينما يمكن أن تحفز البارابروبيوتيك الاستجابة المناعية للمضيف وت disrupt البيوفيلم الممرض. يؤكد المؤلفون على أهمية اختيار سلالات البروبيوتيك المناسبة لتحسين استخدام المغذيات والاستجابات المناعية، حيث أن الاختيارات غير الصحيحة قد تؤثر سلبًا على صحة الأسماك. بشكل عام، فإن دمج هذه المكملات الميكروبية في تربية الأحياء المائية يحمل إمكانيات لتحسين صحة الأسماك واستدامة أنظمة تربية الأحياء المائية.
القيود
تسلط قسم القيود الضوء على عدة تحديات في تطبيق البروبيوتيك والبارابروبيوتيك في تربية الأسماك. تشمل القضايا الرئيسية ضمان استقرار هذه المنتجات، الذي يتأثر بعوامل مثل درجة الحرارة، الرطوبة، وحساسية الأكسجين. يتم اقتراح استراتيجيات مثل صياغة البروبيوتيك مع مثبتات واستخدام تقنيات الميكروكبسولة لتعزيز قابليتها للحياة حتى الإدارة. بالإضافة إلى ذلك، تشكل خصوصية المضيف لسلالات البروبيوتيك تحديًا، حيث قد تختلف الفعالية عبر أنواع الأسماك المختلفة. هناك حاجة إلى البحث لتحديد تركيبات واسعة الطيف أو محددة الأنواع مصممة خصيصًا لميكروبيوتا الأسماك الفريدة في تربية الأحياء المائية.
تزيد التباينات في استجابات الأسماك الفردية بسبب الاختلافات في الميكروبيوتا، الوراثة، والظروف البيئية من تعقيد تطبيق البروبيوتيك. يمكن أن يؤدي تخصيص التركيبات والجرعات بناءً على الاحتياجات المحددة إلى تحسين الفعالية. توجد أيضًا تحديات تنظيمية، حيث يتم تنظيم استخدام البروبيوتيك بموجب أطر متنوعة عبر المناطق، مما يتطلب التفاعل مع السلطات والامتثال للإرشادات. تتطلب المخاوف البيئية بشأن إطلاق البروبيوتيك في النظم البيئية المائية، بما في ذلك التأثيرات البيئية المحتملة وتطوير المقاومة، ممارسات إدارة دقيقة. بشكل عام، فإن معالجة هذه التحديات من خلال البحث المنهجي، والصياغة المبتكرة، والتعاون التنظيمي أمر ضروري للتكامل المستدام للبروبيوتيك في تربية الأسماك.
DOI: https://doi.org/10.3389/fmars.2024.1499228
Publication Date: 2024-12-10
Author(s): Muhammad Fachri et al.
Primary Topic: Aquaculture disease management and microbiota
Overview
This review examines the growing interest in probiotics and paraprobiotics as alternatives to antibiotics in aquaculture, emphasizing their potential to enhance fish health and prevent diseases amidst the industry’s expansion. Probiotics, including strains such as *Arthrobacter*, *Bacillus*, *Lactobacillus*, *Bifidobacterium*, and *Clostridium*, have demonstrated benefits in promoting growth, disease resistance, stress reduction, and water quality management. However, challenges such as stability, host specificity, and regulatory issues must be addressed to optimize their application. Paraprobiotics, which consist of non-viable microbial cells, offer a safer alternative by retaining the ability to modulate the immune system and improve gut health without the risks associated with live probiotics.
The review highlights the mechanisms through which probiotics and paraprobiotics influence gut microbiota, produce antimicrobial compounds, and bolster the immune response in fish. It advocates for a systematic approach that combines research, innovation, and collaboration to effectively integrate these microorganisms into aquaculture practices. The findings suggest that probiotics and paraprobiotics not only enhance digestion and nutrient absorption but also improve disease resistance against various infections. The potential of probiogenomics to develop targeted probiotic strains tailored to specific fish species and environments is also noted, alongside the promising results of commercially available products in improving fish growth, survival rates, and water quality, thereby supporting sustainable aquaculture practices.
Introduction
The introduction of this research paper highlights the rapid growth of the aquaculture sector, which produces approximately 160 million tons of farmed fish valued at around US$80 billion annually. This expansion is accompanied by challenges, particularly disease outbreaks linked to high stocking densities. Traditional disease management strategies, such as antibiotics, have raised concerns regarding antibiotic resistance and adverse effects on both aquatic organisms and humans, prompting the European Union to ban antibiotic use in aquaculture since 2003. Consequently, probiotics and paraprobiotics have emerged as eco-friendly alternatives, offering immune-based prevention and health benefits to fish.
Probiotics, defined by the World Health Organization and Food and Agricultural Organization as live microorganisms that confer health advantages when administered in adequate amounts, have demonstrated positive effects on fish health, including improved growth, disease resistance, and stress management. Various bacterial genera, such as Bacillus and Lactobacillus, have been identified as beneficial in aquaculture. Paraprobiotics, or non-viable microbial cells, are gaining attention for their safety and ability to modulate the immune system without the risks associated with live probiotics. The introduction of probiogenomics represents a novel approach to enhance the efficacy of these microbial applications by identifying and optimizing probiotic strains tailored to specific fish species. This review aims to elucidate the protective roles of probiotics and paraprobiotics in aquaculture and discuss advancements in probiogenomics that could revolutionize fish health management.
Methods
The methods for screening potential probiotics for use in fish aquaculture involve a multi-step process aimed at ensuring both safety and efficacy. Initially, microorganisms are isolated from diverse sources such as the gastrointestinal tract (GIT) of healthy fish, aquatic environments, and fermented products. These isolates undergo in vitro testing to assess their probiotic properties, focusing on their ability to survive in conditions mimicking the fish gut, including low pH and bile salt presence. Key screening criteria include antagonistic activity against fish pathogens, adherence to intestinal mucus, and the production of beneficial compounds like digestive enzymes and vitamins. Safety assessments are critical, evaluating antibiotic resistance and the absence of virulence factors.
Following successful in vitro evaluations, promising candidates progress to in vivo trials in target fish species, where their effects on growth performance, immune response, and disease resistance are measured. Parameters such as weight gain, specific growth rate (SGR), and feed conversion ratio (FCR) are analyzed, alongside immune metrics like lysozyme activity and phagocytic response. The impact on gut microbiota composition and intestinal morphology is also examined using molecular techniques. The final stages of screening assess the technological properties of the selected strains, ensuring their viability under aquaculture conditions. As research evolves, innovative methodologies, including high-throughput sequencing and omics approaches, are being integrated to enhance the understanding of probiotic-host interactions and identify novel candidates for improving fish health and aquaculture productivity.
Discussion
In the discussion section of the research paper, the authors explore the roles of probiotics and paraprobiotics in aquaculture, emphasizing their importance in enhancing fish health and growth. Probiotics, typically derived from the fish’s environment, are assessed for their beneficial properties through various assays. They have been shown to improve gut health, growth performance, and immune responses in fish species by modulating gut microbiota and producing antimicrobial compounds. Notably, paraprobiotics, which are non-viable bacterial cells, offer similar benefits without the risks associated with live probiotics, such as gene transfer. They can enhance immune modulation, barrier function, and nutrient absorption, making them a promising alternative in aquaculture practices.
The paper also highlights the mechanisms through which probiotics and paraprobiotics exert their effects, including competitive exclusion of pathogens, modulation of the immune system, and production of antimicrobial compounds. For instance, probiotics can produce substances like bacteriocins and organic acids that inhibit pathogenic growth, while paraprobiotics can stimulate the host’s immune response and disrupt pathogenic biofilms. The authors underscore the significance of selecting appropriate probiotic strains to optimize nutrient utilization and immune responses, as improper choices may negatively impact fish health. Overall, the integration of these microbial supplements into aquaculture holds potential for improving fish health and sustainability in aquaculture systems.
Limitations
The section on limitations highlights several challenges in the application of probiotics and paraprobiotics in fish farming. Key issues include ensuring the stability of these products, which is influenced by factors such as temperature, moisture, and oxygen sensitivity. Strategies like formulating probiotics with stabilizers and employing microencapsulation techniques are suggested to enhance their viability until administration. Additionally, the host specificity of probiotic strains poses a challenge, as efficacy may vary across different fish species. Research is needed to identify broad-spectrum or species-specific formulations tailored to the unique microbiota of various fish in aquaculture.
Variability in individual fish responses due to differences in microbiota, genetics, and environmental conditions further complicates probiotic application. Customizing formulations and dosages based on specific needs can improve efficacy. Regulatory challenges also exist, as the use of probiotics is governed by diverse frameworks across regions, necessitating engagement with authorities and adherence to guidelines. Environmental concerns regarding the release of probiotics into aquatic ecosystems, including potential ecological impacts and resistance development, require careful management practices. Overall, addressing these challenges through systematic research, innovative formulation, and regulatory collaboration is essential for the sustainable integration of probiotics in fish farming.