细菌 “抱团作恶” 被破解？益生菌阻断群体感应的秘密全公开！

养殖系统中过量的有机物为机会性病原体提供了绝佳的生长条件，而有益细菌可通过分解有机物，有效降低疾病爆发的风险。

细菌病一直是水产养殖领域的重大威胁。大多数致病细菌本质上属于机会性病原体，广泛存在于人体表面的自然微生物群、动物肠道、水生环境及养殖池底中。在水质、动物健康状态及微生物群结构保持稳定的情况下，这些病原体引发疾病的概率极低；但当环境出现波动、水质恶化或动物健康受损时，机会性致病条件会迅速形成，病原体密度快速升高，进而诱发传染病。因此，病原细菌的有效控制，与稳定养殖环境、实施高效水质管理密不可分。

池塘的科学合理管理是防控细菌病的关键。除此之外，疫苗接种和抗生素应用也是常用防控措施，但二者均存在诸多局限性。疫苗并非适用于所有养殖物种和所有细菌病，且主要对病毒性疾病效果显著，对虾类等水产养殖品种几乎不适用。同时，疫苗的防控效果还受多种因素影响，包括养殖动物的免疫状态、体型大小、疫苗剂量与配方、使用方式及治疗方案等。此外，疫苗接种成本高昂、劳动强度大，还可能给养殖动物带来应激反应。

过去，抗生素常被用于畜牧业和农业生产中，以促进动物生长和预防疾病。然而，抗生素的滥用与失控，加剧了耐药细菌的滋生与扩散。长期的抗生素选择压力，不仅增加了病原体的治疗难度，还导致耐药菌株向环境中广泛传播，因此，将抗生素作为疾病预防手段的应用方式，如今已越来越具争议性。

目前，科研人员已开发出多种替代方案，用于改善养殖动物健康、优化水质并有效控制病原体，其中，添加有益细菌（即益生菌）被认为是最具可持续性的发展方向，其能够帮助维持养殖环境稳定，抑制机会性病原体的生长繁殖。

一、水质管理：

在水产养殖过程中，水生物种会持续向水体中排放粪便、尿液及残饵。随着这些有机物的不断积累，水体中有毒化合物的浓度会逐渐升高，进而导致水质恶化。因此，去除水体中的过量有机物和有毒物质，是维持养殖环境稳定的关键。细菌在这一过程中发挥着重要作用，利用植物或微生物（如细菌）处理养殖废弃物的方式，被称为生物修复。

过量有机物不仅会恶化水质，还会为病原体的滋生创造有利条件，显著增加疾病爆发的风险。与之相反，芽孢杆菌等有益细菌能够有效分解水体中的有机物，降低环境污染压力，助力维持池塘生态系统的平衡稳定。

此外，氨、亚硝酸盐、硝酸盐等含氮化合物，主要通过养殖废弃物分解和养殖动物排泄物降解形成。当这些含氮化合物的浓度超过安全阈值时，会对养殖动物产生毒性：氨可引发养殖动物神经系统疾病；高浓度亚硝酸盐会降低动物血液的氧气运输能力，导致其长期处于“窒息”状态；硝酸盐毒性虽相对较低，但长期暴露会导致养殖动物生长迟缓、抵抗力下降，进而更易感染疾病。

为降低养殖系统的管理复杂度，添加有益细菌是必要的解决方案。这些益生菌可参与水体中的硝化和/或反硝化过程（见图1、图2），从而有效降低水中氨、亚硝酸盐和硝酸盐的浓度。具体而言，硝化作用是指细菌以羟胺、亚硝酸盐等为中间体，将氨氧化为硝酸盐的过程；反硝化作用则是将硝酸盐转化为氮氧化物，最终转化为氮气并释放到大气中的过程。亚硝酸盐在这两个过程中均扮演着中间体的角色。因此，若要高效处理水体中的氨、亚硝酸盐和硝酸盐，将具有硝化能力和反硝化能力的细菌菌株联合使用，可获得最佳处理效果。

图1：细菌的硝化与反硝化过程

图2：体外氮化合物的生物处理效果。实验室条件下，将细菌细胞分别置于高浓度氨、硝酸盐或亚硝酸盐环境中，培养两天后观察处理效果。

含硫化合物，尤其是硫化氢（H₂S），是池塘养殖中需重点关注的有毒物质。硫化氢气体由池底有机物在厌氧条件下分解产生，其存在会抑制养殖动物的有氧呼吸，使其易受缺氧影响，严重时可导致窒息死亡。池底出现黑色污泥，是硫化氢存在的典型特征——该黑色污泥由硫化氢与水体中的铁离子反应生成硫化铁形成。

不过，部分细菌能够利用并代谢硫化氢，其中最具代表性的包括硫杆菌属（Thiobacillus）和副球菌属（Paracoccus）等。例如，硫杆菌可通过脱硝化作用和硫氧化作用，同时去除水体中的硝酸盐和硫化氢，将这两种有毒化合物分别转化为无毒的硫酸盐和氮气，从而有效改善池塘养殖环境质量。

二、有益细菌与致病细菌的区别：

抑制病原体生长的能力，是益生菌的核心评价标准之一。通常情况下，益生菌通过排他性竞争机制发挥抑菌作用，其表现形式多样，包括：产生细菌素等抗菌化合物；分泌有机酸，降低胃肠道或水体环境的pH值，从而抑制有害细菌生长；与致病细菌争夺附着位点和营养资源等。

近年来，一种新型病原体控制方法受到广泛关注，即通过破坏细菌细胞间的群体感应（QS）机制，实现对致病细菌的抑制。

根据微生物学理论，群体感应是细菌根据种群密度调节自身基因表达的过程，该机制通过细菌持续分泌的小分子信号物质实现。随着细菌种群数量的增加，这些信号物质在环境中不断积累，当达到一定浓度阈值时，会触发细菌群体的基因表达发生协同变化。

群体感应机制可帮助细菌群体协调开展群体活动，例如生物膜的形成、毒力因子的增强表达，以及抗菌剂和胞外酶的分泌等。但这些群体活动需要消耗大量代谢能量，因此，只有当细菌群体数量足够多、活动成功概率较高时，才会通过群体感应触发这些活动。其中，毒力因子的及时、高效表达，是致病细菌成功引发感染的关键。

科研人员已发现并分离出多种不同类型的群体感应信号分子，其中最常见的是革兰氏阴性菌中的酰基化高丝氨酸内酯（AHL）和革兰氏阳性菌中的小分子多肽。AHL分子碳链长度的差异，赋予了其物种特异性；此外，无论细菌属于革兰氏阳性还是革兰氏阴性，许多物种都能产生、识别并响应通用信号分子AI-2。

弧菌属等致病细菌，会利用物种特异性的信号分子进行细胞间通讯。这些信号分子如同细菌的“交流语言”，帮助其感知环境条件、周围物种组成、营养竞争状态以及整个种群的代谢水平。

基础的AHL信号系统，由负责合成AHL的酶和识别该信号分子的转录因子组成（见图3）。当AHL与受体结合后，会激活或抑制目标基因的表达。而在弧菌属中，存在更为复杂的多信号系统：不同的信号分子被细胞膜上的特异性受体识别后，会激活共同的调控通路，进而控制基因表达。每个信号分子都通过自身的“传导通道”发挥作用，最终整合到同一信号传输系统中，实现群体行为的协同调控。

图3：革兰氏阴性菌的群体感应（密度诱导）机制

三、群体感应的抑制（淬灭）：

当细菌细胞间的通讯机制被破坏时，其群体内的协同活动将无法维持，由群体感应系统调控的各项特性（如毒力表达、生物膜形成）也无法正常实现。在水产养殖场景中，抑制群体感应可有效降低致病细菌的毒力，使其更易被环境因素或养殖动物自身免疫系统影响，从而达到防控疾病的目的。

“群体感应淬灭”过程可作用于群体感应系统的多个环节（见图3）：若信号分子的合成被阻断，细菌细胞将无法产生通讯信号，进入“静默”状态；若针对信号检测环节进行干预，会破坏受体的结构稳定性，或通过竞争性结合受体位点，使信号分子无法激活受体；此外，信号分子还可能被特定酶类分解，导致通讯信息无法传递至接收细胞，从而中断群体感应。

在自然界中，植物、细菌和藻类已进化出多种抑制微生物群体感应的机制，以调控微生物活动。例如，大蒜中含有的特定化合物可干扰细菌间的信号传递；红藻Delisea pulchra能产生结构与AHL相似的卤代呋喃酮类化合物，通过“欺骗”致病细菌，使其信号分子无法正常结合受体，从而阻断群体感应。

此外，细菌自身也进化出分解AHL信号分子的机制——这是细菌间竞争与通讯调控的重要方式。部分芽孢杆菌物种可分泌特定酶类，破坏AHL分子的内酯环，使其失去信号活性；而罗尔斯顿菌属（Ralstonia）、贪噬菌属（Variovorax）等物种则会攻击AHL分子的酰胺键，使其降解。由此可见，有益细菌不仅能通过产生抗菌剂直接抑制病原体，还能通过干扰其群体感应通讯，实现对病原体爆发的有效控制与限制。

四、群体感应信号抑制实例：

过去几十年间，科研人员开发出多种指示性细菌菌株，这类菌株在检测到群体感应信号分子时，会表现出发光、荧光或色素沉着等可观测特征。这些指示菌株不仅用于环境中群体感应信号分子的检测，还被广泛应用于群体感应抑制机制的研究。然而，由于有益细菌本身可能分泌抗菌剂，会抑制致病细菌的生长，因此在研究中需进行严谨评估，以明确群体感应抑制效应的来源——是真正的细菌间通讯中断，还是单纯的致病细菌生长受抑（见图4）。

图4：群体感应（QS）信号淬灭实例。需注意，致病细菌生长受抑会直接导致其群体感应相关活性（如发光）降低，需通过实验设计排除该干扰因素。