Артур  Ильяшенко, кандидат биологических наук, научный консультант Bioproton PTY

ilyashenkoartur@gmail.com

Рыбоводство в России и в мире активно внедряет в производственный процесс технологию выращивания гидробионтов в установках с замкнутым циклом водообеспечения, что требует уделять особое внимание вопросам экологии и кормления. Состав водной среды во многом зависит от качества корма и биоремедиации отходов жизнедеятельности выращиваемых видов. Наряду с этим актуальной проблемой современного животноводства является уход от использования антибиотиков, альтернативой которым являются пробиотики. 

Введение

Использование пробиотиков в аквакультуре оказывает большое влияние на водные организмы не только путем прямого воздействия на микробиоту кишечника, но и опосредованно, через повышение качества воды. При этом решаются две задачи: улучшение зоотехнических показателей и профилактика заболеваний бактериальной этиологии. В контексте развития органической аквакультуры применение пробиотических веществ становится актуальной альтернативой лечению антибиотиками.

Если чистоту воды в поилках сельскохозяйственных животных можно контролировать, то постоянно отслеживать биотоп пруда затруднительно, так как пруд – естественная экосистема. При поддержании здорового баланса кишечной микрофлоры создаются оптимальные условия для роста и развития рыб.

Из всего разнообразия пробиотиков, применяемых в аквакультуре, особого внимания заслуживают кормовые добавки на основе бактерий рода Bacillus. Это спорообразующие анаэробы с палочковидной формой клетки. Микроорганизмы данной группы широко распространены в почве и воде, где они принимают активное участие в разложении органических соединений и связывают атмосферный азот. 

Функциональные возможности представителей рода Bacillus очень разнообразны. Они активно продуцируют ферменты, аминокислоты, другие биологически активные субстраты и выделяют бактериоцины (антимикробные пептиды), способствующие подавлению роста патогенных бактерий в пищеварительной системе гидробионтов, обеспечивают иммуностимуляцию, используются для уменьшения метаболических отходов в водной системе (Hong H. A. и соавт., 2005). 

Регулируя микробиоценоз пищеварительного тракта, пробиотики оказывают благотворное воздействие на усвоение питательных веществ. Это делает корма более эффективными и снижает их затраты на единицу продукции, что не только покрывает их стоимость, но и приносит дополнительную прибыль (Белов Л., 2008).

Особенности применения и разнообразие бациллярных пробиотиков

Процесс формирования биоценоза кишечника у рыб начинается с момента перехода на самостоятельное активное питание. Рыба захватывает воду, в том числе в процессе акта дыхания. Поэтому заселение кишечника пробиотическими культурами, которые укрепляют иммунитет и препятствуют росту численности патогенных микроорганизмов, необходимо начинать именно в этот важный, критический период онтогенеза.  

В качестве основы для бациллярных пробиотиков, применяемых в практике кормления и выращивания гидробионтов, в настоящее время используют отдельные штаммы B. subtilis, B. licheniformis, B. amyloliquefaciens, B. coagulans, B. megaterium, B. cereus, B. pumilus, B. aerophilus, B. aerius.

Перспективным направлением в кормлении является использование полипробиотиков – добавок на основе бактерий сразу нескольких видов или нескольких штаммов микроорганизмов. Зачастую они совмещают в себе аэробные (например Bacillus subtilis) и анаэробные (например Bacillus licheniformis) организмы. Штаммы могут занимать различные экологические ниши и быть наделены специфическими функциональными особенностями, что создает эффект синергизма и увеличивает эффективность препаратов такого типа в сравнении с монокультурными пробиотиками. Такие добавки обладают низким расходом (КОЕ/кг готового корма) и высокой экономической отдачей. Но для их создания необходимо проведение большого количества исследований, что сопряжено с появлением дополнительных экономических затрат (Ильяшенко А. Н., 2020).

Представители рода Bacillus являются грамположительными бактериями, они хорошо перерабатывают органическую массу в углекислый газ (Kuebutornye F. K. и соавт., 2019). В опытах на ракообразных было доказано, что их накопление в воде способствует снижению концентрации растворенного и осажденного органического углерода, сокращает количество патогенных вибрионов и повышает выживаемость, скорость роста и здоровье молоди Penaeus monodon (Dalmin G. и соавт., 2001).

Несмотря на то что споры бактерий рода Bacillus способны к размножению внесенного первично действующего начала в кишечнике рыб, данные микроорганизмы относятся к транзиторной микрофлоре (Чистяков В. А. и соавт., 2021). Они не могут постоянно населять пищеварительный тракт и поддерживать необходимый для достижения положительных результатов размер популяции без постоянного пополнения колонии извне. Их функция – стабилизировать естественную микрофлору организма и самостоятельно элиминироваться в ЖКТ. Сроки, в течение которых бациллы могут оставаться в организме без введения новых доз, варьируются в зависимости от хозяина. Поэтому бациллярные пробиотики добавляют в корма не по показаниям, а постоянно. 

К преимуществам бациллярных пробиотиков относится возможность спорообразования, что обеспечивает высокую термостабильность добавок на их основе. Исследования показали, что использование Bacillus spp. в экструдированных кормах привело к улучшению неспецифического иммунитета нильской тилапии по сравнению с добавлением в гранулированный или пеллетированный корм (Ghosh S. и соавт., 2007). В форме спор бактерии рода Bacillus выживают в кислой среде желудка и не требуют специальных условий хранения и транспортировки (Бурлаченко И. В., 2008).

К недостаткам использования представителей рода Bacillus в качестве пробиотиков относят их способность переносить гены, связанные с устойчивостью к противомикробным препаратам, а также возможность продуцирования энтеротоксинов и биогенных аминов (Lee N. K. и соавт., 2019). Поэтому при отборе штаммов Bacillus для разработки пробиотических препаратов необходим предварительный скрининг на наличие факторов резистентности, на цитотоксичность и генотоксичность.

Непатогенные штаммы Bacillus spp., используемые в производстве пробиотиков, безвредны для гидробионтов даже в концентрациях, значительно превышающих рекомендуемые для применения. Способность некоторых из них существенно повышать неспецифическую резистентность макроорганизма позволяет назначать их для предупреждения инфекций бактериальной и вирусно-бактериальной этиологии и с целью полного восстановления нарушенного микробиоценоза (Хорошилова Н. В., 2009).

Механизм работы пробиотиков на основе бактерий рода Bacillus

Попав в организм, бактерии образуют в кишечнике быстрорастущие колонии и вытесняют из него патогенные и условно патогенные микроорганизмы, способствуя развитию собственной полезной микрофлоры рыб. При этом продуцируются биологически активные вещества, происходит синтез пищеварительных ферментов и аминокислот. Особенно ярко это проявляется в период воздействия на рыбу стрессовых факторов, таких как отлов, сортировка, транспортировка и пересадка, смена климатических условий в межсезонье (Romanova E. и соавт., 2020). Пробиотики активизируют специфические и неспецифические системы защиты организма, нормализуют пищеварительные процессы, способствуют лучшему усвоению кормов, повышают иммунный статус и устойчивость организма к заболеваниям, а также увеличивают скорость роста. По данным научных исследований, использование комбикормов с пробиотическими добавками позволяет хозяйствам сократить до 25% расход кормов на производство рыбы (Панасенко В. В., 2007). 

Добавление пробиотиков в корма способствует повышению рыбопродуктивности на 20% и выше, что складывается из профилактики и лечения болезней рыб инфекционной и алиментарной этиологии, нормализации состояния организма вследствие интенсивного применения антибиотиков, смягчения стрессов, вызываемых сменой корма, а также травматическими повреждениями, связанными с технологическим перемещением рыб (рис. 1.).

Рисунок 1. Эффекты от действия бациллярных пробиотиков на организм гидробионта 

Известно, что при пероральном приеме как вегетативных клеток, так и спор бактерии проходят несколько циклов споруляции и респоруляции, прежде чем начнут выводиться из организма. Следовательно, препараты на основе Bacillus, содержащие клетки в обеих формах – споровой и вегетативной, могут быть терапевтически более эффективными (Savustyanenko A. V., 2016).

Было доказано, что вегетативные формы бактерий рода Bacillus способны прикрепляться к стенке кишечника и образовывать биопленки, что позволяет защитить полезную микрофлору и создать препятствия для размножения патогенных микроорганизмов. Под защитой биопленки физиологические процессы бактерий происходят без угнетения со стороны негативных факторов – повышается продукция метаболитов и биологически активных веществ (Богатырев И. Н., 2003). Важную роль играют сигнальные вещества, обеспечивающие взаимодействие клеток в биопленке. Эти вещества могут служить аналогами регуляторных молекул животного организма. Также можно предположить, что соматостатинподобный пептид, обнаруженный при развитии некоторых штаммов Bacillus subtilis, является фактором межклеточной коммуникации. Установлено, что грамположительные бактерии взаимодействуют друг с другом при помощи олигопептидных сигнальных молекул (Гинцбург А. Л. и соавт., 2003). Согласно симбиогенетической теории происхождения эукариотов многие сигнальные молекулы, общие для бактерий и эукариотов, у первых обеспечивали взаимодействие клетки с другими членами прокариотного сообщества, а у вторых – согласованную работу клеток многоклеточного организма (Кравцова Л. З. и соавт., 2004).

Помимо включения в корм, бактерии рода Bacillus применяют in situ для биоремедиации вод. Исследования показали эффективность использования B. subtilis in situ в целях улучшения качества воды, снижения присутствия вибрионов и повышения жизнеспособности ювенильных особей пресноводных креветок (Devaraja T. и соавт., 2013). Добавление в воду других видов пробиотических бацилл привело к снижению содержания азота в бассейне и повышению качества форели и тилапии, выращиваемых в УЗВ (Rafiee G. и Saad C. R., 2005). Применение in situ коммерческих препаратов на основе B. subtilis и B. licheniformis в выращивании нильской тилапии позволило повысить концентрацию растворенного в воде кислорода (Hill C. и соавт., 2014).

Заключение

Современные биотехнологические подходы дают возможность использовать полезные функциональные особенности бактерий рода Bacillus в производстве пробиотиков, оказывающих благотворное воздействие на объекты аквакультуры. 

Применение таких добавок является перспективным направлением и обладает высоким потенциалом для повсеместного внедрения в технологию выращивания гидробионтов в России. Это способствовало бы развитию экологически чистой, устойчивой отрасли животноводства с низкими затратами для обеспечения продовольственной безопасности населения.

Список использованной литературы:

1. Dalmin G., Kathiresan K., Purushothaman A. Effect of probiotics on bacterial population and health status of shrimp in culture pond ecosystem. Indian J. Exp. Biol. – 2001. – №39. – P. 939–942.
2. Devaraja T., Banerjee S., Yusoff F., Shariff M., Khatoon H. A holistic approach for selection of Bacillus spp. as a bioremediator for shrimp postlarvae culture. Turkish Journal of Biology. – 2013. – №37(1). – P. 92–100.
3. Ghosh S., Sinha A., Sahu C. Effect of probiotic on reproductive performance in female livebearing ornamental fish. Aquaculture Research. – 2007. – №38(5). – P. 518–526.
4. Hill C., Guarner F., Reid G., Gibson G. R., Merenstein D. J., Pot B., Morelli L., Canani R. B., Flint H. J., Salminen S., Calder P. C. Expert consensus document: The International Scientific Association for Probiotics and Prebiotics consensus statement on the scope and appropriate use of the term probiotic. Nature reviews Gastroenterology & hepatology. – 2014. – №11(8). – P. 506.
5. Hong H. A., Duc L. H. and Cutting S. M. The use of bacterial spore formers as probiotics // FEMS Microbiol Reviews. – 2005. – №29. – Р. 813–835.
6. Kuebutornye F. K. A., Abarike E. D., Lu Y. A review on the application of Bacillus as probiotics in aquaculture. Fish Shellfish Immunol. – 2019. – №87. – P. 820–828.
7. Lee N. K., Kim W. S., Paik H. D. Bacillus strains as human probiotics: characterization, safety, microbiome, and probiotic carrier // Food science and biotechnology. – 2019. – № 5(28). – P. 1297–1305.
8. Rafiee G., Saad C. R. Nutrient cycle and sludge production during different stages of red tilapia (Oreochromis sp.) growth in a recirculating aquaculture system. Aquaculture. – 2005, Feb 28. – №244(1–4). – P. 109–118.
9. Romanova E., Spirina E., Romanov V., Lyubomirova V., Shadyeva L. Effects of bacillus subtilis and bacillus licheniformis on catfish in industrial aquaculture // E3S Web of Conferences. XIII International Scientific and Practical Conference “State and Prospects for the Development of Agribusiness – INTERAGROMASH 2020”. – 2020. – Р. 02013.
10. Savustyanenko A. V. Mechanisms of Action of Probiotics based on Bacillus subtilis // Actual Infectology. – 2016. – №2(11). – P. 35–44.
11. Белов Л. Пробиотики в сельском хозяйстве // Агропресс. – 2008. – №5. – С. 36–38.
12. Богатырев И. Н. Использование биопрепаратов в кормлении животных для получения экологически чистого сырья // Современное комбикормовое производство и перспективы его развития. – М.: МПА, 2003. – С. 84–88.
13. Бурлаченко И. В. Актуальные вопросы безопасности комбикормов в аквакультуре рыб // ВНИРО. – 2008. – 183 с.
14. Гинцбург А. Л., Ильина Т. С., Романова Ю. М. Quorum sensing, или Социальное поведение бактерий // Журнал микробиологии, эпидемиологии и иммунобиологии. – 2003. – №5. – C. 86–93.
15. Ильяшенко А. Н. Пробиотики на основе бактерий рода Bacillus в кормлении крупного рогатого скота // Журнал про корiв. – 2020. – №11(21). – С. 31–33.
16. Кравцова Л. З., Несиневич Л. С., Олива Т. В. Пробиотики как элемент технологии производства безопасной продукции животноводства и птицеводства // Актуальные проблемы сельскохозяйственной биотехнологии: мат-лы науч.-практ. конф. – Воронеж, 2004. – С. 19–20.
17. Панасенко В. В. Теоретические и практические аспекты использования кормов для рыб с пробиотиком «Субтилис» // Материалы докл. междунар. симп. «Тепловодная аквакультура и биологическая продуктивность водоемов аридного климата», Астрахань, 2007. – С. 421–422.
18. Хорошилова Н. В. Терапевтическая эффективность пробиотиков // Новая аптека. Аптечный ассортимент. – 2009. – №6. – С. 100–102.
19. Чистяков В. А., Брень А. Б., Рудой Д. В., Егян М. А., Куликова Н. А. Пробиотические бациллы в аквакультуре // Сборник научных трудов международной научно-практической конференции «Развитие и современные проблемы аквакультуры» (конференция «Аквакультура-2021»), с. Дивноморское, 20–24 сентября 2021. – С. 77–78.