地衣芽孢杆菌菌株23对光倒刺鲃养殖体系中土腥味化合物及微生物群落结构的调控作用

《Fishes》：Modulation of Off-Flavor Compounds and Microbial Community Structure in Acrossocheilus fasciatus Aquaculture by Bacillus licheniformis Strain 23

　　

摘要专业翻译 土臭素（Geosmin，GSM）和2-甲基异冰片（2-methylisoborneol，2-MIB）是淡水鱼类中主要的异味化合物，可严重降低产品质量与市场价值。利用益生菌进行生物调控已成为控制这些异味的一种有前景的生态友好型策略。本研究将地衣芽孢杆菌（Bacillus licheniformis）菌株23以两种实际应用模式应用于光倒刺鲃（Acrossocheilus fasciatus）养殖体系：直接水体泼洒（水质调控组，A）和饲料添加（饲料调控组，S），并设不添加益生菌的对照组（D）。采用顶空固相微萃取-气相色谱-质谱联用（HS-SPME-GC-MS）法测定水和鱼肌肉中的GSM和2-MIB浓度，并通过16S rRNA基因高通量测序分析水和鱼肠道中的微生物群落结构。由于可用池塘数量有限，每个处理仅应用于一个池塘（每个处理n=1个池塘），每组采集的3个样本为空间子样本而非独立生物学重复。因此，处理间比较仅作为描述性和探索性结果呈现。在本试验条件下，两种处理均与鱼肌肉和水体中GSM和2-MIB水平的降低相关。第48天时，饲料调控组的GSM和2-MIB分别降至0.754 μg/kg和0.103 μg/kg，较对照组分别降低46.8%和63.2%。水质调控组的GSM降低了52.9%，而其2-MIB在第48天时与饲料调控组无明显差异。两种处理均与微生物群落结构的变化相关。水质调控提高了水体中的物种丰富度，并促进了绿藻门（Chlorophyta）和蓝藻门（Cyanobacteriota）的增殖，而饲料添加则简化了水体群落结构，绿藻门占据绝对优势。在鱼肠道中，水质调控诱导了显著的群落重构，其特征为蓝藻门急剧下降和浮霉菌门（Planctomycetota）增加，而饲料添加仅引起适度扰动。相关性分析表明，Geminiocystis PCC-6308与2-MIB浓度呈强正相关，而假单胞菌属（Pseudomonas）和浮霉菌门中的多个分类单元与异味化合物呈负相关。这些发现表明，地衣芽孢杆菌菌株23可能通过重塑微生物群落来减少光倒刺鲃养殖中的土腥味异味。然而，由于缺乏独立的池塘水平重复，这些结果应被视为初步和产生假说性质的发现，需要在重复池塘实验中进一步验证。

论文解读

一、研究背景与意义

淡水养殖是提供优质动物蛋白的重要产业，但鱼体中土腥味异味问题日益制约产品质量与市场接受度。这类异味主要由两种挥发性代谢产物引起：土臭素（Geosmin，GSM）和2-甲基异冰片（2-methylisoborneol，2-MIB）。即使在纳克每升（ng/L）浓度下，这些化合物也能被消费者感知，使鱼肉产生令人不快的泥土味，造成显著的经济损失。养殖鱼类主要通过肠道、肝脏、肌肉和血液积累GSM和2-MIB，蓝藻和放线菌是主要的生物来源。夏季异味问题尤为严重，适宜的光照条件和氮磷等营养输入会加剧产味微生物在水体和沉积物中的生长。

现有去除异味的方法包括换水、物理吸附（如活性炭）、化学氧化（如臭氧、高锰酸钾）和生物降解。然而，换水受水资源限制且有尾水污染风险；活性炭吸附成本高且易饱和；化学氧化虽高效但可能产生副产物并胁迫养殖生物，难以在养殖过程中原位应用。相比之下，利用益生菌进行生物调控以改善水质、抑制产味微生物并直接降解异味化合物，具有环境友好、成本低和可持续等显著优势，已成为提高淡水鱼食用品质的关键研究方向。

地衣芽孢杆菌（Bacillus licheniformis）作为一种高效益生菌，不仅能分泌多种胞外酶、拮抗病原菌，还能改善肠道健康。已有研究表明，地衣芽孢杆菌可通过拮抗作用抑制放线菌门中链霉菌属（Streptomyces spp.）的生长，从而从源头减少GSM和2-MIB的产生；也可能参与GSM和2-MIB的直接代谢降解。然而，专门评估地衣芽孢杆菌菌株23对淡水鱼GSM和2-MIB的影响以及相关水体和肠道微生物群落变化的研究仍然有限，水体泼洒与饲料添加两种方式的相对效果及其与异味减少之间的关系尚不明确。因此，本研究旨在探究地衣芽孢杆菌菌株23对养殖水和光倒刺鲃肌肉中GSM和2-MIB水平的影响，并阐明其对水体和肠道微生物群落的调控作用。

二、主要技术方法

研究人员在约30亩土塘中养殖光倒刺鲃，随后转移至三个面积相近（约3亩/塘）的塑料膜池塘，分别设为对照组（D）、水质调控组（A）和饲料调控组（S）。由于可用池塘有限，每个处理仅应用于一个池塘，每组采集3个空间子样本。地衣芽孢杆菌菌株23购自湖南岳阳渔美康生物科技有限公司（产品批号20251120），为粉末状商业益生菌产品，活菌数为每包5.0×10¹² CFU，菌株保藏于中国普通微生物菌种保藏中心（CGMCC No. 20406）。水质调控组每3天以5包/次的剂量全池泼洒，饲料调控组每2天以2包/次的剂量拌料投喂。研究人员采用顶空固相微萃取-气相色谱-质谱联用（HS-SPME-GC-MS）法测定水和鱼肌肉中GSM和2-MIB浓度；通过16S rRNA基因V3-V4区高通量测序（Illumina Nextseq2000平台，由上海美吉生物医药科技有限公司提供测序服务）分析水体和鱼肠道微生物群落；使用HQ40d便携式分析仪测定pH、溶解氧和盐度等水质参数。

三、研究结果

3.1 鱼体生长性能参数比较

48天内各组鱼体生长指标无显著差异。由于每个处理仅有一个池塘且测量个体数较少，这些结果应视为描述性结果而非独立处理效应的统计学证据。

3.2 鱼肌肉中异味化合物的去除效率

第30天时，饲料调控组（SM，0.709 μg/kg）的GSM低于水质调控组（AM，0.983 μg/kg）和对照组（DM，1.759 μg/kg）；SM的2-MIB（0.149 μg/kg）也低于DM（0.221 μg/kg）。第48天时，AM和SM的GSM和2-MIB均低于DM，AM与SM之间无明显差异。

3.3 养殖水体中异味化合物的去除效率

第30天时，两种处理的水体GSM和2-MIB均低于对照组，其中饲料调控组降幅最大。第48天时，SW的GSM和2-MIB仍低于DW；而AW的GSM高于DW，2-MIB与DW无明显差异。

3.4 养殖水体理化参数变化

各组间溶解氧和盐度无明显差异。pH值在各组间显著升高：DW（8.38）< AW（9.00）< SW（9.39）。

3.5 鱼肠道微生物群落的影响

丰富度指数（Chao1和ACE）在DF、AF和SF之间无明显差异，而Shannon和Simpson指数存在差异。Beta多样性显示各组在门和属水平上均有明显分离，DF与AF差异显著，而DF与SF无明显差异。蓝藻门在DF和SF中占优势，但在AF中较低，浮霉菌门和假单胞菌门（Pseudomonadota）在AF中富集。相关性分析显示蓝藻门/norank_o_Chloroplast与GSM和2-MIB呈正相关，多个浮霉菌门和假单胞菌门分类单元与这些化合物呈负相关。

3.6 水体微生物群落的影响

丰富度指数从SW到AW到DW呈上升趋势，但总体差异不显著。DW的Shannon指数高于SW和AW，Simpson指数低于SW和AW。Beta多样性显示DW、AW和SW在门和属水平上均明显分离。蓝藻门在SW中丰度最高，浮霉菌门和假单胞菌门在DW中更丰富。Cyanobium_PCC-6307在AW和SW中富集，Pirellula/Mariniblastus在AW中减少。酸杆菌门（Acidobacteriota）中norank_f__Blastocatellaceae与水体GSM和2-MIB呈显著负相关。

四、讨论与结论

研究人员提出三种可能机制来解释GSM和2-MIB的降低：一是直接生物降解，地衣芽孢杆菌分泌的漆酶和过氧化物酶等胞外酶可能修饰GSM和2-MIB的化学结构；二是阻断富集途径，益生菌通过改善肠道健康和减少异味化合物在鱼体内的吸收积累来发挥作用；三是可能的群体感应相关干扰，但该机制完全未经实验验证，仅作为候选假说提出。研究还发现饲料添加组以叶绿体来源序列高丰度为特征，蓝藻丰度相对较低，与"藻相调控"概念一致。水质调控组后期蓝藻丰度回升，可能与水体GSM浓度反弹有关。处理组水体pH显著升高，可能与藻类增殖相关的光合作用增强或地衣芽孢杆菌介导的碳氮循环变化有关。饲料添加组即使在pH高达9.39的条件下蓝藻仍相对受抑制，表明地衣芽孢杆菌菌株23可能通过分泌抗菌物质或竞争微量元素等其他机制抵消高pH对蓝藻的促进作用。

研究结论指出，地衣芽孢杆菌菌株23在水质调控和饲料添加两种条件下均与光倒刺鲃养殖体系中GSM和2-MIB水平的降低相关，并伴随鱼肌肉品质的变化。两种策略中，饲料添加在本试验条件下似乎提供更稳定的长期控制效果。可能的潜在机制涉及重塑水体和鱼肠道微生物群落结构、抑制产味蓝藻、促进浮霉菌门等潜在降解菌，以及改变水体理化环境（如pH升高）。然而，这些机制未在本研究中直接验证，且缺乏独立的池塘水平重复限制了结论的强度。因此，本研究的发现应视为初步和产生假说性质的，未来研究应包含重复池塘、直接测定降解酶和降解产物，并在分子水平上研究地衣芽孢杆菌菌株23与宿主的相互作用，以阐明具体的降解酶系统和潜在机制。