用以淨化水質的常見益生菌

早期科學家普遍認同所謂的「益生菌」是指能進入消化道中活存且能促進健康的微生物。而近代科學家更認為除了活的益生菌以外,這些有益微生物所分泌的產物都對宿主健康有所助益。而在水產養殖產業上由於水生生物終生生活於水中,所以除了是腸道內促進健康的有益細菌是益生菌,能夠穩定水體的微生物對水生生物而言也算是益生菌

目前在市面上,常作為水族/養殖使用以淨化水質的菌種,主要有以下幾類,分別是:
1.    芽孢桿菌(Bacillus spp.):


圖片來源:維基百科
芽孢桿菌屬是一群環境中普遍存在的細菌,為格蘭氏陽性菌,能產生芽孢(endospore),可用以抵抗惡劣環境,多數為異營菌或稱腐生菌,好養或兼性厭氧;本屬細菌因可分泌多種胞外酵素(脂肪酶、澱粉分解酶、蛋白酶、納豆激酶、植酸酶等…),故具有優秀的有機物分解能力,對於養殖的殘餌、魚蝦排泄物等能快速分解,亦能分泌包括抗菌物質、卵磷脂(lecithin)、維生素(B1、B2、K2等)、胺基酸及礦物質等有益成分(許,2003;Ochoa-Solano and Olmos-Soto, 2006),相當受到食品及養殖領域青睞,不過也有部分種類為致病菌,需謹慎選用
而在水產養殖中,曾被用來做為益生菌使用的"種"有枯草芽孢桿菌(Bacillus subtilis)、地衣芽孢桿菌(B. licheniformis)、巨大芽孢桿菌(B. megaterium)、凝结芽孢桿菌(B. coagulans)、B. mojavensisB. polymyxa,以及水試所開發技轉之短小芽孢桿菌B. pumilus D5等…皆已被證實對水產養殖有一定的幫助,如促進生長、改善水質、強化免疫功能等…(Soccol et al., 2010;Cruz et al., 2012;Mohapatra et al., 2013),B. pumilus D5還被證實具有拮抗病原微生物的能力(黃 et al., 2016 )
而在眾多種類之中,枯草芽孢桿菌主要因其優秀的分解效果,以及廣泛的氮源利用能力,加上不會致病,成為淨化水質的產品主力,其可利用ammonium salt、 nitrate、 amino acid、 purines、 uric acid、 urea、 allantoin、 peptides做為主要氮來源,並能進行硝酸呼吸(nitrate respiration)<雖然這是芽孢桿菌屬的共同特徵>,使其在厭氧生長下可以利用硝酸或亞硝酸作為最終電子接受體(Clements et al., 2002),代表也有部分的去除硝酸及亞硝酸的能力
當然使用芽孢桿菌產品也並非沒有缺點,由於分解能力強,若是缸內有機質眾多,初期氨的累積會相當快速,即使撐過初期階段,後續也很容易卡在亞硝酸,不過這些問題都可以靠益生菌聯盟的方式來解決,也因此不建議使用單純的芽孢桿菌產品

2.    硝化菌(Nitrifying microbes):


圖片來源:S Noorak et al., 2018 
硝化菌是一群能將強毒性的氨(NH3)氧化為毒性較低的亞硝酸(NO2-),或進一步將亞硝酸氧化為硝酸(NO3-)的細菌(最近研究發現某些真菌及古菌也有這項功能),而這個過程就稱之為硝化作用,多為不產芽孢的格蘭氏陰性菌,依其作用機制不同又可分為氨氧化細菌(Ammonia-Oxidizing Bacteria)及亞硝酸氧化細菌(Nitrite-Oxidizing Bacteria)兩種,氨氧化細菌主要行好氧性化學能自營性生活,利用氧化氨來獲取能量,並將之轉化為亞硝酸,因所取得的能量較為有限,連帶也限制了它的生長速度,一般異營性微生物(例如上述的芽孢桿菌)每20~30分鐘就能分裂一次,但氨氧化細菌分裂生長一次卻要24~48小時,主要的種類有Nitrosomonas sp.、Nitrosococus sp.、Nitrosospira sp.、Nitrosolobus sp.、Nitrosovibrio sp.,而亞硝酸氧化細菌則是利用氧化亞硝酸來獲取能量,並將之轉化為硝酸,其不像氨氧化細菌僅屬於化學能自營,也可以是化學能自營性、異營性或兩者兼具,後者分裂生長的時間會比自營性者快10倍,主要的種類有Nitrobacter sp.、Nitrospina sp.、Nitrococcus sp.、Nitrospira sp.、Nitrotoga sp.以及異營性之某些品種的Bacillus subtilisPesudomonas pavonaceae (Abeliovich, 2006)
一般來說,學術上稱的硝化菌跟水族上的硝化菌是兩種不同的概念,學術定義上的硝化菌是指化學自營性的Nitrosomonas spp.及Nitrobacter spp.這兩群細菌(狹義的硝化菌),由於其培養速度緩慢,成本昂貴,不易商品化等缺點,目前難以在水族市場上見到,況且雖然理論上效果良好,卻會受到有機質與異營菌所抑制,必須要在相當乾淨且富含溶氧的水中才能形成優勢族群,現實上並不實用,目前市面上多以硝化功能菌來取代,而如何判斷產品是否為狹義的硝化菌也很簡單,狹義的硝化菌不能分解有機質,一定是液態產品(或以冷凍管保存),加入水中不會馬上生效,但多加也不易水霧,若開始作用則氨及亞硝酸分解快速,但會卡在硝酸

3.    光合菌(Photosynthetic bacteria):


圖片來源:沛立維實驗室;革蘭氏染色的光合菌
光合菌是地球上最早出現具有光能合成體系的原核生物,是一群具有光合色素,能在厭氧條件下進行不產生氧的光合作用的格蘭氏陰性細菌總稱,廣泛分布於河、海、湖泊、土壤及某些極端環境中(例如鹽湖),可以在厭氧或好氧環境中生長,但表現的代謝機制不同,在厭氧光照的環境下,可利用光能行光合作用,並以硫化物和有機物作為供氫體,以CO2或有機物作為碳源,而在好氧避光的環境下,則行多樣異營分解功能,與自然界中的氮、磷、硫循環都有著密切的關係,其廣泛的用途使其能成為淨化水質的重要菌種,不僅能分解有機物,還能在厭氧環境下進行脫氮及脫硫反應(Kundu and Nicholas, 1985; Jin et al., 2011)
不僅如此,光合菌菌體亦富含營養成分,也很適合做為飼料添加劑使用,其蛋白質含量超過黃豆(粗蛋白含量57.95%),維生素B種類及含樣超過酵母、粗脂肪為7.9%,可溶性糖類為20.8%,並含有16種必需胺基酸、類胡蘿蔔素、另還含有豐富的CoQ10等生物輔因子等營養物質(Kobayashi and Tchan, 1973; Kobayashi, 1977; Mitsui, 1979; 小林正泰, 1978)對於增強於隻健康及育成率有相當的幫助
目前應用於環工廢水處理及水產養殖業上的光合菌,主要為三個屬的菌,分別是紅螺菌屬(Rhodosirillum)、紅假單胞菌屬(Rhodopseudomonas)和紅微菌屬(Rhodomicrobium),共同特徵是具有鞭毛,不產生氣泡,細胞內不積累硫化物等…,雖然光合菌具有減少有機汙染量、延緩水質老化、減少病原大量孳生、抑制病原菌生長、淨化水質、提高溶氧、促進養殖生物生長及健康、減少化學藥劑使用等功能,但由於是革蘭氏陰性菌的關係,商品化上受到很大的考驗,而友浚也在這項原料上尋覓已久,終於找到使用最新科技製成,能夠活化的光合菌粉劑原料,雖然本身就在生技業,也不免感嘆科技的進步,使用最簡易的培養方式,也能一周內成功放大培養光合菌


Day1. 剛加入菌粉的狀況,之後使用水族燈密封照光培養


Day7. 放大培養成功,肉眼可見,整桶變成深紅色

4.    乳酸菌及其他益生菌
乳酸菌是一群能利用碳水化合物進行發酵產生50%以上乳酸的細菌,種類繁多,除了在土壤與各種動、植物上,也存在富含營養鹽的淡海水水域中(張, 2007),其中Lactobacillus (乳酸桿菌屬) 能抑制多種病原菌孳生(間接),亦能營造適合其他益生菌生長的環境(分泌乳酸營造弱酸性環境),並製造多醣類提供其他益生菌養分(以菌養菌),友浚嚴選之乳酸菌群更有降解氨及亞硝酸鹽的效果,使亞硝酸被還原為N2、N2O或其他氮素形式,並且因其耐酸的特性,可在一般硝化菌功能被抑制的酸性環境下,維持代謝含氮廢物的作用,也因其需氧量較低,能夠在緻密結構的濾材中搶奪地盤,抑制壞菌滋生,可謂一舉多得
乳酸菌另一個為人所稱道的功能是能在腸道與宿主共生並提供多項機能,例如魚源乳酸菌Pediococcus pentosaceus (戊糖片球菌),此菌種可提升免疫機能,也能分泌抑制害菌的代謝物,包括有機酸、細菌素或抗菌肽等,不僅能抑制病原,更能提升魚蝦免疫力,保持健康並促進生長
除了上述所提及的菌種之外,能應用於水族/水產的益生菌還包括Exiguobacterium sp.、 Micrococcus luteusKocuria sp.、 Clostridium sp.、 Streptomyces sp.、 Pseudomonas fluorescensAlteromonas macleodiiPseudoalteromonas haloplanktisRoseobacter gallaeciensisShewanellaceae sp.、 Pantoea sp.、部分弧菌(如Vibrio alginolyticu)、真菌類的麴菌(如Aspergillus flavus,具有硝化作用)、酵母菌(多作為飼料添加用)等等...

以上即為常用作水族/水產養殖使用的益生菌種類,若單就淨化水質的角度來看,選擇硝化菌或光合菌較能達到無可取代的效果,尤其是光合菌的多工性及知名度,在推廣上會相對容易,但是就商品化的角度來看,硝化菌及光合菌因為無法形成”芽孢(endospore)”的休眠狀態,難以長期保存,而芽孢桿菌(Bacillus sp.)因為屬於格蘭氏陽性菌,且能產生抵抗惡劣環境的休眠體-芽孢,較為適合商品化應用,但在選擇菌種時,必須特別注意是否會產生毒素(例如黃麴毒素、仙人掌毒素等...),是否具有致病性或是否為機會感染菌,其後還必須注意與其他菌株的適合性,這都需要嚴謹且長期的基礎及測試,才能配合出最適當的益生菌聯盟,以達到最好的效果

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