生物絮团技术下鲻鱼对饲料鱼粉减少的早期生理和肠道微生物群响应

《Fishes》：Early Physiological and Gut Microbiota Responses to Dietary Fishmeal Reduction in Mugil cephalus Under Biofloc Technology

　　

研究人员评估了在生物絮团技术（BFT）下，鲻鱼（Mugil cephalus）对用替代蛋白源替代鱼粉的早期肠道反应。将幼鱼（82.68 ± 0.05 g）分配到三个饲料处理组，鱼粉添加水平依次降低为15%、5%和0%，分别对应FM15、FM5和FM0。饲喂27天后，分析肠道样本的微生物群组成、转录组响应和酶活性。FM0组表现出肠道酶活性降低，而各饲料组间肠道微生物群未观察到显著差异。此外，转录组分析揭示了与脂质代谢相关的富集GO条（GO terms）和KEGG通路（KEGG pathways）的差异表达基因。这一响应与饲喂FM0饲料的鱼中观察到的较低的肠系膜脂肪指数（MFI）和全身脂质含量一致，提示与完全鱼粉替代和较高的饲料蛋白质含量相关的早期代谢调整。所有饲料均表现出高蛋白质效率比（PER，9.98 ± 2.42）和低饲料转化率（FCR，0.40 ± 0.17），且各组间无显著差异。然而，完全鱼粉替代对肠道生理和脂质储存产生了负面影响，表明这些变化未被生物絮团系统完全补偿，且可能在较长时期内生理上不可持续。可进行进一步长期研究以评估这些饲料的长期影响。

**论文解读：生物絮团技术下鲻鱼对饲料鱼粉减少的早期生理和肠道微生物群响应**

**研究背景与问题**
随着人口快速增长，对动物性食品的需求持续增加，对水生态系统造成压力。生物絮团技术（BFT）通过操控碳氮比（C:N）促进异养细菌生长，将含氮废物转化为微生物生物量，形成的生物絮团可作为天然饲料补充，减少对鱼粉的依赖。然而，鱼粉替代可能影响鱼类肠道健康，肠道是首先响应营养变化的器官之一。已有研究表明，鱼粉替代会导致肠道微生物群失调、免疫抑制和代谢紊乱，但短期与长期效应不同。在鲻鱼（Mugil cephalus）中，前期研究显示其能适应BFT系统，但完全鱼粉替代对肠道生理的早期影响尚不清楚。因此，本研究旨在评估BFT条件下，鲻鱼幼鱼对饲料鱼粉减少的早期肠道生理响应，以制定低鱼粉饲料而不损害肠道健康和生长性能。

**研究内容与结论**
研究人员将鲻鱼幼鱼（82.68 ± 0.05 g）随机分为三组，分别饲喂鱼粉添加水平为15%（FM15）、5%（FM5）和0%（FM0）的饲料，在BFT系统中饲养27天。研究团队来自西班牙农业食品研究与技术研究所（IRTA）和瓦伦西亚理工大学。实验期间监测水质、生长性能、体成分、消化酶活性、肠道微生物群（16S rRNA基因测序）和肠道转录组（RNA-seq）。结论：完全鱼粉替代（FM0）未显著影响生长性能，但降低了肠道酶活性（胰蛋白酶、胰凝乳蛋白酶、α-淀粉酶、脂肪酶），减少了肠系膜脂肪指数（MFI）和全身脂质含量；转录组分析显示，FM0组中差异表达基因（DEGs）富集于脂质代谢相关的GO条（如胆汁酸代谢、中性脂质分解代谢）和PPAR信号通路，同时下调了细胞周期相关基因（ccnb1、ccna2）。肠道微生物群α多样性无显著差异，但β多样性显示时间性变化，可能源于生物絮团的定殖。该研究发表在《Fishes》上，意义在于揭示了BFT系统中完全鱼粉替代的早期生理风险，为优化鲻鱼低鱼粉饲料配方提供了依据。

**主要关键技术方法**
- 实验设计：采用三个鱼粉水平（15%、5%、0%）的等氮（但非严格等氮）饲料，在BFT系统中进行27天短期饲养（每处理3个重复，每重复80尾鱼）。
- 肠道微生物群分析：提取后肠基因组DNA，扩增16S rRNA基因V3-V4区，在Illumina MiSeq平台测序，使用QIIME 2、DADA2处理，SILVA数据库分类，计算α多样性（Shannon、Chao1）和β多样性（加权UniFrac距离，PERMANOVA检验）。
- 肠道转录组分析：提取后肠总RNA，构建Illumina链特异性文库，在NextSeq 550平台测序，bowtie2比对鲻鱼参考基因组（GCF_022458985），DESeq2鉴定差异表达基因（|log2FoldChange| > 0，p < 0.05），eggNOG-mapper和GhostKOALA进行GO和KEGG富集分析。
- 消化酶活性测定：测定全肠匀浆中胰蛋白酶、胰凝乳蛋白酶、α-淀粉酶和脂肪酶活性，以mU g^?1肠道组织表示。
- 样本队列来源：鲻鱼幼鱼来自IRTA设施，运输至瓦伦西亚理工大学；成熟生物絮团接种物来自凡纳滨对虾（Penaeus vannamei）BFT系统。

**研究结果**

**3.1 水质与生长性能**
水质参数除亚硝酸盐在FM0组较高外，均在适宜范围内。生长性能（终重、特定生长率（SGR）、饲料转化率（FCR）、蛋白质效率比（PER））在各组间无显著差异，经济转化率（ECR）也无差异。但FM0组MFI和内脏指数（VSI）显著降低，全身脂质含量最低，且组氨酸、赖氨酸、苏氨酸等必需氨基酸比例下降。

**3.2 鱼粉替代对肠道微生物群的影响**
α多样性（Shannon、Chao1）在初始组、FM15和FM0间无显著差异；β多样性分析显示，初始组与27天后（FM15和FM0）的微生物群落显著分离，但FM15与FM0间无差异。门水平上，变形菌门（Proteobacteria）最丰富，其次为厚壁菌门（Firmicutes）和螺旋体门（Spirochaetota）。与初始相比，厚壁菌门增加约30倍，而浮霉菌门（Planctomycetota）和蓝细菌门（Cyanobacteria）减少。科水平上，弧菌科（Vibrionaceae）最丰富，其次为短螺旋体科（Brevinemataceae）、毛螺菌科（Lachnospiraceae）和红杆菌科（Rhodobacteraceae）。研究表明，BFT系统促进了肠道微生物群的时间性变化，但鱼粉替代未引起显著改变。

**3.3 鱼粉替代对肠道转录组的影响**
FM0与FM15比较，共鉴定16个差异表达基因（DEGs），其中14个下调，2个上调。GO富集分析显示，上调DEGs富集于脂质代谢相关过程（胆汁酸代谢、中性脂质分解代谢等），而下调DEGs富集于组蛋白磷酸化和细胞周期蛋白依赖性激酶全酶复合物。KEGG通路分析显示，PPAR信号通路上调，细胞周期、溶酶体等通路下调。上调基因fabp6（脂肪酸结合蛋白6）与胆汁酸运输和脂质代谢相关，下调基因ccnb1和ccna2参与G2/M细胞周期转换。

**讨论与结论**
讨论部分指出：完全鱼粉替代虽未改变微生物群，但触发了脂质动员和消化酶活性降低，这种代谢调整与fm0组中fabp6上调和PPAR通路激活一致，可能源于高蛋白、低碳水化合物饲料和胆汁酸代谢改变。细胞周期相关基因的下调可能反映短期适应性反应，但长期可能影响肠道上皮更新。尽管BFT系统提供了额外营养，但完全鱼粉替代导致的生理变化未被完全补偿，可能不可持续。从经济角度看，完全鱼粉替代在短期试验中未增加生产成本。

**研究结论**
本研究提示，完全鱼粉替代虽未影响生长性能，但触发了早期生理响应，表现为脂肪动员增加和肠道消化酶活性降低。FM0组中较低的MFI和全身脂质含量与fabp6表达上调相关，表明对无鱼粉和高蛋白饲料的代谢适应。ccnb1和ccna2的下调可能反映短期营养变化适应，需进一步研究其对肠道上皮更新的影响。虽未观察到微生物群的显著饮食变化，但BFT系统影响了肠道细菌种群。从饲料效率看，BFT系统是鲻鱼的适宜养殖环境，但完全鱼粉替代引起的生理调整可能无法长期维持。建议从生产、生理和经济角度，最低鱼粉添加水平为5%。