环境因素驱动的肠道微生物群重组有助于提高宿主健康状况，并增强养殖在虾塘中的Chlamys nobilis的抗病能力及食品安全性

《Marine Environmental Research》：Environmental-driven restructuring of intestinal microbiota promotes host fitness and enhances food safety potential in shrimp pond-cultured Chlamys nobilis

贵族 scallop 肠道微生物群及生理状态对虾塘与海场养殖环境的响应差异。研究显示虾塘环境（SP）显著提高类胡萝卜素含量（P<0.05），降低微生物多样性（P<0.05），同时减少病原菌 Vibrio 丰度，增强有益菌 Roseibacillus 和 Marivita 比例，并调控脂质/氨基酸代谢（-）与能量/核苷酸代谢（+）途径（P<0.05）。

　　

熊达林|孙一洲|张宏关|林青|马庆涛|何成|张传旭|郑华平

中国广东省海洋生物技术重点实验室，汕头大学海洋科学研究所，汕头515063

摘要

微生物群落组成是决定海鲜质量和安全性的关键因素。贝类具有开放的循环系统，对环境变化非常敏感，这些变化会严重影响它们的生理状态和肠道微生物群。本研究调查了在中国南部养殖的贵贝（Chlamys nobilis）在虾塘（SP）与海水养殖场（SF）两种养殖环境下40天内的生理变化及肠道微生物群的变化。研究发现，在温度、盐度、pH值、溶解氧（DO）、磷酸盐（PO₄-P）、亚硝酸盐（NO₂-N）、铵（NH₄-N）和叶绿素a（Chla）八个关键参数上，SP和SF环境之间存在显著差异（P < 0.05）。虽然SP和SF环境下的贝类存活率和生长率没有显著差异（P > 0.05），但SP养殖的贝类总类胡萝卜素含量显著更高（P < 0.05）。此外，SP养殖的贝类肠道微生物多样性降低（P < 0.05），其组成发生了明显变化：Proteobacteria、Bacteroidota和Firmicutes的相对丰度下降，而Cyanobacteria的相对丰度上升。值得注意的是，SP养殖的贝类中有益菌属（Roseibacillus和Marivita）的数量增加，而潜在病原菌（Vibrio、Mycoplasma和Mycobacterium）的数量减少。微生物群功能分析显示，SP养殖的贝类脂质/氨基酸代谢途径减弱，而能量/核苷酸代谢途径增强（P < 0.05）。这些发现表明，虾塘环境可以有效地调节贝类的微生物群和生理状态，从而可能有利于贝类的健康并提高海鲜的安全性，为可持续水产养殖实践提供了宝贵的见解。

引言

全球捕捞渔业产量已经趋于稳定，但水产品需求持续增长，2022年人均消费量达到了20.7公斤（FAO，2024年）。水产养殖已成为全球增长最快的动物生产领域（Henriksson等人，2012年）。贝类养殖在中国沿海地区的经济中占据重要地位。2023年中国贝类养殖产量约为1,854,344吨（农业农村部渔业局，2024年）。在海水养殖中，筏式养殖是一种传统养殖方式，基本上不使用饲料，主要依赖海水中的营养物质（Petersen等人，2008年）。养殖双壳类的生长表现和营养价值受微藻饮食的生化组成强烈影响（Martínez-Fernández等人，2004年；Tan等人，2021年）。贝类在选择食物方面存在群体差异，主要取决于栖息地环境（Xu等人，2007年）。虾类养殖通常采用池塘养殖和工厂化养殖方式。在半集约化养殖的Litopenaeus vannamei池塘中，以Nitzschia closterium和Chlorella为主的微藻群是贝类的常见食物来源（Peng等人，2011年；Saucedo等人，2013年），这可能有助于提高贵贝（Chlamys nobilis）的类胡萝卜素积累（Zheng等人，2010年；Tan等人，2021年），贵贝属于扇贝科（Pectinidae）的重要可食用海洋双壳类。它自然分布于印度尼西亚、泰国、越南、中国、日本和韩国的沿海水域（Wang等人，1998年；Tan等人，2020a；Tan等人，2020b）。自20世纪80年代以来，贵贝养殖在中国南部发展成为一个大规模产业，主要是因为其生长速度快、营养丰富（富含氨基酸、LC-PUFA和类胡萝卜素）且市场价值高（Zheng等人，2010年；Zheng等人，2012年；Tan等人，2019a；Tan等人，2020c）。类胡萝卜素是一类天然存在的色素，已被广泛证明具有强大的生物抗氧化作用（Fiedor & Burda，2014年；Tan等人，2019b；Young & Lowe，2018年）。这些化合物在增强免疫反应效率和调节先天免疫系统成分方面发挥着关键作用（Bendich，1989年；Lim等人，2023年）。Tan等人（2021年）还发现，高脂微藻能显著促进贵贝组织中的类胡萝卜素积累。

在这种情况下，贝类的肠道微生物群在调节其对环境条件的生理反应中起着关键作用。贝类肠道内的稳态微生物群参与重要的生理过程，包括营养代谢、免疫调节和病原体抵抗（Macpherson和Harris，2004年；Sekirov等人，2010年；Martiny等人，2015年；Hong等人，2021年）。水生动物的肠道微生物群具有高度的可塑性和对饮食变化的敏感性，同时对养殖条件和生态因素的变化非常敏感。这种高敏感性是由于滤食性生物的消化道不断有水流入所致（Gatesoupe等人，1999年）。

环境微生物对贝类养殖生产和食品安全具有双重影响，既有益处也有害处。一方面，某些环境微生物，如Bacillus和Lactobacillus属，通过促进贝类生长、提高消化酶活性和竞争性排除病原体来提高养殖生产力（Kesarcodi-Watson等人，2008年；Abasolo-Pacheco等人，2017年；Ma等人，2020年；Saucedo等人，2020年）。此外，革兰氏阳性Bacillus菌种通过降低氨、亚硝酸盐和污染物浓度来改善水质，从而优化养殖条件（Kuebutornye等人，2019年；Thurlow等人，2019年）。另一方面，病原微生物，如Vibrio、Mycobacterium和Aeromonas属，可导致贝类感染性疾病（Romalde等人，2014年；Cheikh等人，2016年；Grimm等人，2016年；De Silva等人，2019年）。商业重要物种（如牡蛎、贝类、蛤蜊和贻贝）的反复大规模死亡事件与这些病原体有关，导致严重的生产损失和巨大的经济损失（Liu等人，2013年；Travers等人，2015年；Rojas等人，2019年；Urtubia等人，2023年；Zhang等人，2023年）。有些细菌对人类和贝类都有致病性。对于常作为高质量蛋白质来源生食的贝类来说，这增加了消费者因细菌或病毒引起胃肠炎等疾病的风险（Xu等人，2022年）。

由于养殖环境可以显著影响微生物群落，因此像虾塘这样的替代养殖系统可能通过改变微生物群来影响贝类的健康。虾塘环境在物理化学性质上与海洋生态系统存在显著差异，包括温度、盐度、pH值和溶解氧（DO）浓度的变化。由于贝类对环境变化非常敏感，它们依靠复杂的生理和分子适应机制来维持稳态。此外，由于选择压力的不同，虾塘水中的微生物群与海洋栖息地的微生物群有显著差异。这种差异可能通过生态位抢占或拮抗作用促进病原菌的竞争性排除。值得注意的是，从养殖系统（如池塘水、沉积物和虾组织）中分离出的Pseudomonas和Roseobacter菌株表现出强大的抗Vibrio活性，这表明它们作为疾病管理益生菌的潜力（Sonnenschein等人，2021年；Phan等人，2022年）。

基于这些观察结果，我们提出以下假设：首先，虾塘环境因素可以通过竞争性排除作用重塑贵贝（C. nobilis）的肠道微生物群，从而富集有益细菌并减少潜在病原体。其次，虾塘中的独特微藻资源可以促进贝类类胡萝卜素的积累，肠道微生物群的重组可能协同调节宿主的营养代谢和抗逆性。第三，虾塘环境驱动的肠道微生物群重组可以提高宿主的生理适应性，并减少食物传播病原体的定植，从而带来潜在的食品安全益处。本研究采用系统比较方法来评估虾塘与传统海水养殖环境对贝类养殖的影响。具体而言，我们旨在系统比较虾塘和海水养殖条件下贵贝（C. nobilis）肠道微生物群结构和功能的差异，阐明环境因素、肠道微生物群重组与宿主生理/营养状态之间的调节关系，并探索微生物群重组对宿主适应性和食品安全的潜在影响。

实验动物和养殖条件

本研究使用的贵贝（Chlamys nobilis）由汕头大学南澳海洋生物学实验站提供。选择了200只颜色鲜艳、外观健康、大小均匀的贝类（壳长：41.42 ± 3.35毫米；壳高：44.78 ± 3.31毫米；壳宽：13.78 ± 1.19毫米；湿重：11.93 ± 2.74克）。去除壳表面的附生物后，将贝类均匀分为两组：每组100只

虾塘与海水养殖场中贝类存活率、生长指数和总类胡萝卜素含量的比较

从养殖第五天起，虾塘养殖的贝类存活率显著下降（P < 0.05），后期没有显著变化，而海水养殖场的贝类存活率从第25天开始显著下降（图1）。养殖结束时，虾塘和海水养殖场的贝类存活率没有显著差异。第20天时，虾塘养殖的贝类在壳高、壳长、壳宽和湿重方面显著低于海水养殖场的贝类

讨论

先前关于虾和其他海水养殖物种共养的研究表明，最佳放养密度可以显著增加虾和其他水生生物的体重、存活率和产量，同时降低氮和磷的水平（Martinez-Cordova等人，2006年；Reyes，2013年；Hu等人，2022年）。值得注意的是，在本研究中，初始环境的变化导致虾塘养殖的贵贝（C. nobilis）生长停滞甚至出现应激死亡现象

结论

本研究表明，尽管虾塘养殖环境与海水养殖场存在显著差异，贵贝（C. nobilis）仍能保持正常的生长和存活率。虾塘中丰富的藻类资源和贝类的应激代谢调节机制促进了类胡萝卜素的积累，从而增强了其对低温的抵抗力。此外，虾塘环境显著改变了贝类的肠道微生物群

作者贡献声明

何成：数据整理。马庆涛：研究。林青：研究。张宏关：软件、方法学。郑华平：写作——审稿与编辑、监督、资源管理、项目协调、资金获取、概念构思。张传旭：数据整理。孙一洲：研究、数据整理。熊达林：写作——初稿撰写、软件使用、方法学研究、数据分析、数据整理、概念构思

未引用参考文献

Chopin等人，2001年；Davidovich等人，2020年；Gatesoupe，1999年；Horseman和Surani，2011年；Jeffrey和Humphrey，1975年；Khanjani等人，2022年；Martinez-Cordova和Martinez-Porchas，2006年；Phillips和Satchell，2017年；农业农村部渔业局，2024年；Trabal-Fernández等人，2014年；Vazquez和Fernández，2020年。

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了国家重点研发计划（2024YFD2401802）、广东省现代海洋养殖产业技术创新研究（2024-MRI-001-01）以及中国现代农业产业技术研究体系（CARS-49）的支持。