細菌 “抱團作惡” 被破解？益生菌阻斷群體感應的秘密全公開！

養殖系統中過量的有機物為機會性病原體提供了絕佳的生長條件，而有益細菌可通過分解有機物，有效降低疾病爆發的風險。

細菌病一直是水產養殖領域的重大威脅。大多數致病細菌本質上屬于機會性病原體，廣泛存在于人體表面的自然微生物群、動物腸道、水生環境及養殖池底中。在水質、動物健康狀態及微生物群結構保持穩定的情況下，這些病原體引發疾病的概率極低；但當環境出現波動、水質惡化或動物健康受損時，機會性致病條件會迅速形成，病原體密度快速升高，進而誘發傳染病。因此，病原細菌的有效控制，與穩定養殖環境、實施高效水質管理密不可分。

池塘的科學合理管理是防控細菌病的關鍵。除此之外，疫苗接種和抗生素應用也是常用防控措施，但二者均存在諸多局限性。疫苗并非適用于所有養殖物種和所有細菌病，且主要對病毒性疾病效果顯著，對蝦類等水產養殖品種幾乎不適用。同時，疫苗的防控效果還受多種因素影響，包括養殖動物的免疫狀態、體型大小、疫苗劑量與配方、使用方式及治療方案等。此外，疫苗接種成本高昂、勞動強度大，還可能給養殖動物帶來應激反應。

過去，抗生素常被用于畜牧業和農業生產中，以促進動物生長和預防疾病。然而，抗生素的濫用與失控，加劇了耐藥細菌的滋生與擴散。長期的抗生素選擇壓力，不僅增加了病原體的治療難度，還導致耐藥菌株向環境中廣泛傳播，因此，將抗生素作為疾病預防手段的應用方式，如今已越來越具爭議性。

目前，科研人員已開發出多種替代方案，用于改善養殖動物健康、優化水質并有效控制病原體，其中，添加有益細菌（即益生菌）被認為是最具可持續性的發展方向，其能夠幫助維持養殖環境穩定，抑制機會性病原體的生長繁殖。

一、水質管理：

在水產養殖過程中，水生物種會持續向水體中排放糞便、尿液及殘餌。隨著這些有機物的不斷積累，水體中有毒化合物的濃度會逐漸升高，進而導致水質惡化。因此，去除水體中的過量有機物和有毒物質，是維持養殖環境穩定的關鍵。細菌在這一過程中發揮著重要作用，利用植物或微生物（如細菌）處理養殖廢棄物的方式，被稱為生物修復。

過量有機物不僅會惡化水質，還會為病原體的滋生創造有利條件，顯著增加疾病爆發的風險。與之相反，芽孢桿菌等有益細菌能夠有效分解水體中的有機物，降低環境污染壓力，助力維持池塘生態系統的平衡穩定。

此外，氨、亞硝酸鹽、硝酸鹽等含氮化合物，主要通過養殖廢棄物分解和養殖動物排泄物降解形成。當這些含氮化合物的濃度超過安全閾值時，會對養殖動物產生毒性：氨可引發養殖動物神經系統疾病；高濃度亞硝酸鹽會降低動物血液的氧氣運輸能力，導致其長期處于“窒息”狀態；硝酸鹽毒性雖相對較低，但長期暴露會導致養殖動物生長遲緩、抵抗力下降，進而更易感染疾病。

為降低養殖系統的管理復雜度，添加有益細菌是必要的解決方案。這些益生菌可參與水體中的硝化和/或反硝化過程（見圖1、圖2），從而有效降低水中氨、亞硝酸鹽和硝酸鹽的濃度。具體而言，硝化作用是指細菌以羥胺、亞硝酸鹽等為中間體，將氨氧化為硝酸鹽的過程；反硝化作用則是將硝酸鹽轉化為氮氧化物，最終轉化為氮氣并釋放到大氣中的過程。亞硝酸鹽在這兩個過程中均扮演著中間體的角色。因此，若要高效處理水體中的氨、亞硝酸鹽和硝酸鹽，將具有硝化能力和反硝化能力的細菌菌株聯合使用，可獲得最佳處理效果。

圖1：細菌的硝化與反硝化過程

圖2：體外氮化合物的生物處理效果。實驗室條件下，將細菌細胞分別置于高濃度氨、硝酸鹽或亞硝酸鹽環境中，培養兩天后觀察處理效果。

含硫化合物，尤其是硫化氫（H?S），是池塘養殖中需重點關注的有毒物質。硫化氫氣體由池底有機物在厭氧條件下分解產生，其存在會抑制養殖動物的有氧呼吸，使其易受缺氧影響，嚴重時可導致窒息死亡。池底出現黑色污泥，是硫化氫存在的典型特征——該黑色污泥由硫化氫與水體中的鐵離子反應生成硫化鐵形成。

不過，部分細菌能夠利用并代謝硫化氫，其中最具代表性的包括硫桿菌屬（Thiobacillus）和副球菌屬（Paracoccus）等。例如，硫桿菌可通過脫硝化作用和硫氧化作用，同時去除水體中的硝酸鹽和硫化氫，將這兩種有毒化合物分別轉化為無毒的硫酸鹽和氮氣，從而有效改善池塘養殖環境質量。

二、有益細菌與致病細菌的區別：

抑制病原體生長的能力，是益生菌的核心評價標準之一。通常情況下，益生菌通過排他性競爭機制發揮抑菌作用，其表現形式多樣，包括：產生細菌素等抗菌化合物；分泌有機酸，降低胃腸道或水體環境的pH值，從而抑制有害細菌生長；與致病細菌爭奪附著位點和營養資源等。

近年來，一種新型病原體控制方法受到廣泛關注，即通過破壞細菌細胞間的群體感應（QS）機制，實現對致病細菌的抑制。

根據微生物學理論，群體感應是細菌根據種群密度調節自身基因表達的過程，該機制通過細菌持續分泌的小分子信號物質實現。隨著細菌種群數量的增加，這些信號物質在環境中不斷積累，當達到一定濃度閾值時，會觸發細菌群體的基因表達發生協同變化。

群體感應機制可幫助細菌群體協調開展群體活動，例如生物膜的形成、毒力因子的增強表達，以及抗菌劑和胞外酶的分泌等。但這些群體活動需要消耗大量代謝能量，因此，只有當細菌群體數量足夠多、活動成功概率較高時，才會通過群體感應觸發這些活動。其中，毒力因子的及時、高效表達，是致病細菌成功引發感染的關鍵。

科研人員已發現并分離出多種不同類型的群體感應信號分子，其中最常見的是革蘭氏陰性菌中的酰基化高絲氨酸內酯（AHL）和革蘭氏陽性菌中的小分子多肽。AHL分子碳鏈長度的差異，賦予了其物種特異性；此外，無論細菌屬于革蘭氏陽性還是革蘭氏陰性，許多物種都能產生、識別并響應通用信號分子AI-2。

弧菌屬等致病細菌，會利用物種特異性的信號分子進行細胞間通訊。這些信號分子如同細菌的“交流語言”，幫助其感知環境條件、周圍物種組成、營養競爭狀態以及整個種群的代謝水平。

基礎的AHL信號系統，由負責合成AHL的酶和識別該信號分子的轉錄因子組成（見圖3）。當AHL與受體結合后，會激活或抑制目標基因的表達。而在弧菌屬中，存在更為復雜的多信號系統：不同的信號分子被細胞膜上的特異性受體識別后，會激活共同的調控通路，進而控制基因表達。每個信號分子都通過自身的“傳導通道”發揮作用，最終整合到同一信號傳輸系統中，實現群體行為的協同調控。

圖3：革蘭氏陰性菌的群體感應（密度誘導）機制

三、群體感應的抑制（淬滅）：

當細菌細胞間的通訊機制被破壞時，其群體內的協同活動將無法維持，由群體感應系統調控的各項特性（如毒力表達、生物膜形成）也無法正常實現。在水產養殖場景中，抑制群體感應可有效降低致病細菌的毒力，使其更易被環境因素或養殖動物自身免疫系統影響，從而達到防控疾病的目的。

“群體感應淬滅”過程可作用于群體感應系統的多個環節（見圖3）：若信號分子的合成被阻斷，細菌細胞將無法產生通訊信號，進入“靜默”狀態；若針對信號檢測環節進行干預，會破壞受體的結構穩定性，或通過競爭性結合受體位點，使信號分子無法激活受體；此外，信號分子還可能被特定酶類分解，導致通訊信息無法傳遞至接收細胞，從而中斷群體感應。

在自然界中，植物、細菌和藻類已進化出多種抑制微生物群體感應的機制，以調控微生物活動。例如，大蒜中含有的特定化合物可干擾細菌間的信號傳遞；紅藻Delisea pulchra能產生結構與AHL相似的鹵代呋喃酮類化合物，通過“欺騙”致病細菌，使其信號分子無法正常結合受體，從而阻斷群體感應。

此外，細菌自身也進化出分解AHL信號分子的機制——這是細菌間競爭與通訊調控的重要方式。部分芽孢桿菌物種可分泌特定酶類，破壞AHL分子的內酯環，使其失去信號活性；而羅爾斯頓菌屬（Ralstonia）、貪噬菌屬（Variovorax）等物種則會攻擊AHL分子的酰胺鍵，使其降解。由此可見，有益細菌不僅能通過產生抗菌劑直接抑制病原體，還能通過干擾其群體感應通訊，實現對病原體爆發的有效控制與限制。

四、群體感應信號抑制實例：

過去幾十年間，科研人員開發出多種指示性細菌菌株，這類菌株在檢測到群體感應信號分子時，會表現出發光、熒光或色素沉著等可觀測特征。這些指示菌株不僅用于環境中群體感應信號分子的檢測，還被廣泛應用于群體感應抑制機制的研究。然而，由于有益細菌本身可能分泌抗菌劑，會抑制致病細菌的生長，因此在研究中需進行嚴謹評估，以明確群體感應抑制效應的來源——是真正的細菌間通訊中斷，還是單純的致病細菌生長受抑（見圖4）。

圖4：群體感應（QS）信號淬滅實例。需注意，致病細菌生長受抑會直接導致其群體感應相關活性（如發光）降低，需通過實驗設計排除該干擾因素。