Tầm quan trọng và triển vọng của việc sử dụng Probiotic trong nuôi trồng thủy sản

Nuôi trồng thủy sản (NTTS) đóng vai trò quan trọng trong nền kinh tế của nhiều quốc gia trên thế giới. Nuôi thủy sản với mật độ cao thường mang đến nhiều rủi ro về kinh tế.

Nguyên nhân là do động vật nuôi bị stress do các vấn đề liên quan đến dịch bệnh cùng với điều kiện môi trường nuôi bị ô nhiễm. Trong suốt nhiều thập kỷ, vấn đề ngăn chặn và kiểm soát dịch bệnh dẫn đến sử dụng một lượng lớn kháng sinh trong thủy sản. Tuy nhiên, sử dụng các chất kháng khuẩn để ngăn chặn dịch bệnh đặt ra rất nhiều vấn đề đặc biệt là khả năng kháng khuẩn của các chủng vi khuẩn gây bệnh.

Thống kê cho thấy trong khoảng 60 năm, hàng tấn kháng sinh đã được sử dụng và phân hủy trên thế giới. Tại Mỹ, khoảng 18.000 tấn kháng sinh được sản xuất mỗi năm sử dụng cho cả y học và nông nghiệp, trong đó khoảng 12.600 tấn được sử dụng không nhằm mục đích chữa bệnh mà chỉ nhằm mục đích kiểm soát sự tăng trường của động vật nuôi. Tại các nước châu Âu, ước tính khoảng 1.600 tấn chiếm khoảng 30% của tổng số kháng sinh được sử dụng trong các trại nuôi chỉ nhằm mục đích tăng trưởng. Lượng kháng sinh được dung quá nhiều trong chăn nuôi là một trong những nguyên nhân tạo ra các chủng vi khuẩn kháng thuốc.

Cơ chế kháng khuẩn được xác định bởi hai nguyên nhân: đột biến nhiễm sắc thể (chromosomal mutation) hoặc sự thu nhận của các plasmids.

Các plasmids mang gen kháng khuẩn được tìm thấy ở các chủng Vibrio nước mặn và chúng có khả năng biến đổi. Với mật độ dày đặc của vi khuẩn được tìm thấy trong các ao nuôi thủy sản, sự trao đổi của các plasmid, sự truyền tính trạng bởi virus và sự trao đổi trực tiếp từ ADN hấp thu đến các phân tử nước và bề mặt bùn đáy ao được xem là nguyên nhân cho sự biến đổi gen.

Dịch bệnh xảy ra trên các trại nuôi tôm tại Ecuador là một ví dụ. Mặc dù, chỉ có một dòng vi khuẩn Vibio cholera được phân lập nhưng có đến 12 chủng các dòng vi khuẩn kháng thuốc được tìm thấy. Hơn thế nữa điều này có thể gây nguy hiểm trên người khi ngày càng có nhiều các chủng vi khuẩn kháng kháng sinh được tạo ra. Điều này đã được chứng minh khi chủng vi khuẩn mang gen kháng florofenicol (floR) ở Salmonella typhimurium DT104, được xác định kháng chloramphenicol và có nguồn gốc từ Photobacterium damsel, một dòng vi khuẩn được tìm thấy trên cá.

Do đó, yêu cầu đặc ra đối với ngành công nghiệp NTTS hiện nay là nhằm hạn chế và giảm tối đa việc sử dụng kháng sinh. Các biện pháp nhằm tập trung phát triển môi trường vi sinh vật hữu ích trong hệ thống NTTS. Một trong các biện pháp được đề xuất là tập trung vào việc sử dụng các chế phẩm sinh học (Probiotics) để kiểm soát sự bùng phát của các tác nhân gây bệnh.

Chế phẩm sinh học (probiotics) là gì?

Thuật ngữ probiotics, trong đó pro nghĩa là “thân thiện”, bios là “cuộc sống”.

Ngược lại với kháng sinh, probiotics là một lượng lớn các vi sinh vật có lợi phát triển nhằm chống lại sự phát triển của các vi sinh vật gây hại.

Bao gồm các vi khuẩn hay nấm không gây hại nên có thể được sử dụng liên tục trong một thời gian dài. Sử dụng các vi sinh vật có lợi trên động vật được bắt đầu vào những năm 1920 và thuật ngữ probiotics được định nghĩa bởi Parker, khi sản xuất vi khuẩn bổ sung được thương mai hóa. Một định nghĩa khác được mở rộng bởi Fuller, ông cho rằng probiotics là sản phẩm nuôi hay những vi sinh vật sống được bổ sung vào thức ăn có tác dụng tốt cho vật chủ bằng cách tăng số lượng và cân bằng vi sinh vật có lợi trong đường ruột. Điểm quan trọng của định nghĩa này được nhận định là những vi sinh vật sống và sử dụng như là thực phẩm bổ sung cho vật chủ.

Tuy nhiên, có nhiều định nghĩa khác nhau về probiotics. Gram cho rằng probiotics là sự bổ sung của các vi sinh vật sống mang lại tác dụng có ích cho vật chủ thông qua sự cân bằng vi sinh vật. Với định nghĩa nay thì nó không liên quan đến thức ăn. Salminen cho rằng probiotic là các vi sinh vật sống hoặc chết hoặc là hổn hợp vỏ tế bào của các vi sinh vật có tác dụng tích cực nhằm giúp gia tăng sức khỏe của vật chủ.

Điều này cho thấy thuật ngữ probiotics rất đa dạng, không nhất thiết là các vi sinh vật sống hay chỉ đơn thuần là sử dụng như thực phẩm chức năng. Probiotics trong NTTS có thể bao gồm cả sử dụng các vi sinh sống trong môi trường nước hoặc cả trong bùn đáy ao như một kiểm soát sinh học.

Nhìn chung probiotics có thể được sử dụng như thực phẩm bổ sung, bằng phương pháp ngâm hoặc tiêm. Tuy nhiên, vẫn còn câu hỏi được đặt ra về cơ chế tác dụng của probiotics trong đó nhiều câu hỏi xoay quanh vấn đề khi áp dụng probiotics bằng phương pháp tiêm hoăc ngâm thì có khác biệt gì so với việc sử dụng vaccine. Điều này làm cho việc đăng ký sử dụng probiotics tại nhiều quốc gia gây nên tranh cải, liệu có nên áp dụng probiotics như một loại thực phẩm chức năng hay một loại vaccine phòng bệnh. Bên cạnh đó cũng có nhiều tranh cải cho rằng có chăng lợi ích của probiotics là có thật hay chỉ là để trấn an người tiêu dùng.

Tóm lại. probiotics được nhận định là có nhiều ảnh hưởng tích cực đến vật chủ, có khả năng sống trong đường ruột của vật chủ, có khả năng nhân rộng sử dụng ở quy mô công nghiệp, an toàn và có khả năng sống được trong một thời gian dài trong điều kiện bảo quản và cả trong mô hình nuôi.

 Cơ chế hoạt động của probiotics

Kháng sinh tiêu diệt mầm bệnh nhưng không thể giải quyết mầm móng của vấn đề. Hơn thế nữa việc sử dụng kháng sinh và hóa chất sẽ làm chết đồng thời các sinh vật có hại và cả có lợi trong môi trường nước ao nuôi. Ngược lại, có nhiều cơ chế khác nhau về việc sử dụng probiotics trong ao nuôi.

Probiotics trong NTTS đóng một vai trò rất quan trọng đặt biệt trong việc làm giảm đáng kể sự tích tụ bùn đáy ao. Nhờ đó chất lượng nước được cải thiện, ngoai ra nó còn giúp ức chế sự phát triển của các vi khuẩn gây bệnh bao gồm Vibrio sp., Aeromonas sp., và virus, đồng thời làm tăng số lượng phiêu sinh động vật (zooplankton), giảm mùi và giúp gia tăng sản lượng nuôi. Sự gia tăng của các chất hữu cơ bị phân hủy, các amino acid tự do và glucose được tạo ra là nguồn dinh dưỡng dồi cho sự phát triển của các vi sinh vật có ích. Cùng với hàm lượng các chất vô cơ bao gồm các ammonia, nitrate và nitrite giảm đáng kể. Chất lượng nước và hệ số chuyển hóa thức ăn (FCR) được cải thiện, kích thích hệ miễn dịch của tôm cá nuôi giúp gia tăng sức đề kháng bệnh.

Chọn lựa, đánh giá probiotics

Việc phát triển probiotics dùng cho NTTS là một quá trình yêu cầu kinh nghiệm và cả những nghiên cứu cơ bản nhất, phải được thí nghiệm nhiều lần cùng với giá trị kinh tế của nó mang lại. Nhiều nghiên cứu sử dụng probiotics trong NTTS nhưng không mang lại hiệu quả như mong muốn.

Do đó, việc chọn lựa cũng như ứng dụng probiotics trong NTTS cần được nghiên cứu vì nó phụ thuộc vào từng đối tượng nuôi và môi trường nuôi . Điều quan trọng then chốt cho việc chọn lựa probiotics trong NTTS là phải hiểu rõ cơ chế hoạt động của probiotics và chọn lựa các tiêu chí cho nguồn probiotics. Việc chọn lựa probiotics sử dụng phải bảo đảm về an toàn sinh học (không mang mầm bệnh), cùng với phương pháp sản xuất, phương pháp áp dụng và cả đặc điểm môi trường sử dụng probiotics (ví dụ như ao nuôi nước mặn, nước ngọt) cũng cần được xem xét. Phương pháp chọn lựa các dòng vi khuẩn sử dụng như probiotics trong NTTS bao gồm các bước sau:

Thu thập thông tin

Trước khi bắt đầu nghiên cứu phát triển ứng dụng probiotics, những thông tin cơ bản cần được thu thập bao gồm: mô hình nuôi và hiệu quả kinh tế mang lại. Những thông tin cụ thể về mô hình nuôi và đối tượng nuôi cần được xem xét cẩn thận nhằm xác định có thể sử dụng probiotics cho mô hình nuôi hay không.

 Khả năng thu nhận của probiotics

Khả năng thu nhận là một trong những yếu tố quan trọng cho việc ứng dụng chế phẩm sinh học. Chọn lựa đúng các dòng vi khuẩn là một trong những yếu tố then chốt tạo nên thành công cho việc ứng dụng chế phẩm sinh học trong NTTS. Hiện nay vẫn chưa có công bố nào so sánh chất lượng cũng như tác dụng của vi khuẩn sử dụng như chế phẩm sinh học được phân lập từ vật chủ, hay từ môi trường sống, từ đất, nước và các nguồn khác.

Một yếu tố phổ biến cho việc chọn lọc các probiotics sử dụng là khả năng kháng khuẩn. Các dòng vi khuẩn được chọn như probiotics phải có khả năng sản sinh ra các chất kháng khuẩn như bacteriocine và siderophores.

 Đánh giá an toàn và hoạt động của probiotics

Yêu cầu quan trọng đối với probiotics là các dòng vi khuẩn được sử dụng không có khả năng gây bệnh đối với vật chủ. Vì vậy, vật chủ phải được thí nghiệm với dòng vi khuẩn được chọn lựa dưới điều kiện bình thường và cả stress để xác định khả năng gây bệnh của probiotics là không có.

Đối với mô hình ương ấu trùng sử dụng nước xanh thì việc dùng probiotics cần được xem xét vì nó có thể ảnh hưởng đến sự phát triển của tảo. Probiotics phải có khả năng sống trong đường ruột của vật chủ và có khả năng chịu được muối mật trong đường ruột cũng như pH thấp của dạ dày. Probiotics phải có khả năng bám dính với các tế bào biểu mô ở đường ruột nhằm ức chế sự phát triển của các tác nhân gây bệnh.

 Đánh giá thử nghiệm

Tác động của probiotics cần phải được đánh giá thử nghiệm nhiều lần. Những thử nghiệm nhằm xác định tác động của dòng probiotics được chọn lựa sử dụng lên đối tượng nuôi cụ thể bao gồm các chỉ tiêu: tăng trưởng, tỉ lệ sống, khả năng sống của vi khuẩn sử dụng cũng như các chỉ tiêu sinh hóa của đối tượng nuôi.

Bên cạnh đó, khi sử dụng probiotics như một kiểm soát sinh học thì yếu tố cần được quan tâm là khả năng chống chịu stress của đối tượng nuôi cũng cần được theo dõi. Probiotics phải đáp ứng khả năng kích thích tăng trưởng và tăng cường hệ miễn dịch của vật chủ. Yếu tố tiên quyết cho việc nhân rộng việc ứng dụng probiotics trong NTTS là probiotics phải dễ bảo quản ở điều kiện bình thường và đồng thời phải đáp ứng yêu cầu sản xuất với số lượng lớn.

Ảnh hưởng đến môi trường nuôi

Chất lượng nước nuôi là một trong những yếu tố quyết định lựa chọn probiotics sử dụng trong NTTS. Thí nghiệm thực tiễn ảnh hưởng của probiotics đến thực tế môi trường nuôi cần tiến hành nghiên cứu trong thời gian dài.

Loại probiotics

Chế phẩm sinh học nhìn chung có hai loại:
a) probiotics đường ruột, loại này thường được trộn với thức ăn và cho động vật ăn nhằm tăng cường hệ vi sinh đường ruột;

b) probiotics xử lý nước, loại này có tác dụng cải thiện môi trường nước ao nuôi đồng thời tiêu diệt các vi khuẩn gây bệnh bằng cách cạnh tranh sử dụng các nguồn dinh dưỡng. Qua đó các vi khuẩn gây bệnh không phát triển được do thiếu nguồn dinh dưỡng cần thiết.

Những probiotics đã được dùng trong NTTS

Chế phẩm sinh học được dùng đầu tiên trong NTTS là Lactobacillus sp., vi khuẩn sản sinh ra lactic acid. Các dòng vi khuẩn khác lần lượt được sử dụng bao gồm Aeromonas hydrophila, A. media, Altermonas sp., Bacillus subtilis, Carnobacterium inhibens, Debaryomyces hansenii, Enterococcus faecium, Lactobacillus helveticus, L. plantarum, L. rhamnosus, Micrococcus luteus, Pseudomonas fluorescens, Roseobacter sp., Streptococcus thermopilus, Saccharomyces cerevisiae, S. exiguous, Vibrio alginolyticus, V. fluvialis, Tetraselmis suecica và Weissella helenica.

Phương pháp ứng dụng probiotics

Các sản phẩm probiotics trên thị trường thường được bán dưới hai dạng:

a) dạng khô: được sử dụng bổ sung vào thức ăn và cả dùng trong xử lý nước nhưng cần phải ủ trước khi sử dụng. Dạng này thường được đóng gói bao gồm một gói dạng bột khô và một gói enzyme catalyst. Quá trình ủ sử dụng nước sạch sau khi trộn hai gói bột và enzyme với nhau, ủ ở 27-32^oC trong 16-18 giờ sục khí liên tục, sản phẩm sau khi ủ phải được sử dụng trong vòng 72 h;

b) dạng dung dịch: thường dùng trong sản xuất giống vì đây thường là các chủng vi khuẩn sống và hoạt động. Dạng này được sử dụng trực tiếp vào nước ương nuôi ấu trùng hoặc trộn với thức ăn cho đối tượng nuôi. Loai này có thể sử dụng bất kỳ thời điểm nào trong ngày đối với các hệ thống nuôi trong nhà, đối với các ao nuôi ngoài trời nên sử dụng vào sáng sớm hoặc chiều tối. Dạng dung dịch với mật độ vi khuẩn thấp hơn so với dạng khô hay các bào tử nhưng thường mang lại hiệu quả nhanh hơn. Chưa có báo cáo nào cho thấy ảnh hưởng xấu của việc sử dụng probiotics đối với NTTS ngoại trừ hàm lượng BOD tăng lên tại thời điểm sử dụng.

**Vì vậy, cần đảm bảo cung cấp đủ oxy trong quá trình sử dụng chế phẩm sinh học trong ao nuôi, hàm lượng DO được khuyến cáo tối thiểu là 3%.

Lợi ích của probiotics trong NTTS

Sản xuất ra các chất kháng khuẩn

 Các dòng vi khuẩn trong probiotics có khả năng sản sinh ra các chất kháng khuẩn như bacteriocins, sideropheres, lysozymes, proteases và hydrogen peroxides, các chất này có khả năng ức chế sự phát triển của vi khuẩn gam (-) và cả vi khuẩn gam (+). Các dòng vi khuẩn lactic acid bacteria (LAB) được sử dụng phổ biến vì chúng có khả năng sản sinh ra bacteriocins ức chế sự phát triển của các vi khuẩn khác.

 Cạnh tranh bám dính bề mặt

Các probiotics cạnh tranh trong đường ruột vật chủ cho việc bám dính trên thành ruột cũng như cạnh tranh về dinh dưỡng, qua đó chúng ngăn chặn sự phát triển của các vi sinh vật gây bệnh. Khả năng bám dính và phát triển trong đường ruột của vật chủ làm ức chế sự phát triển của các vi khuẩn gây bệnh trên cá như Vibrio anguillarum , Aeromonas hydrophila đã được chứng minh.

Cạnh tranh dinh dưỡng

Khả năng sử dụng dinh dưỡng của probiotics giúp hạn chế sự phát triển của các vi sinh vật gây bệnh. Cạnh tranh dinh dưỡng đóng vai trò quan trọng giúp tăng cường quần thể vi sinh vật có ích trong đường ruột cũng như là trong môi trường ao nuôi.  

Nguồn cung cấp dinh dưỡng và các enzyme tiêu hóa

Dòng vi khuẩn Bacteroides và Clostridium sp. giúp tăng cường dinh dưỡng trên cá, đặc biệt cung cấp các acid béo và vitamin. Một số probiotics có khả năng giúp kích thích quá trình tiêu hóa ở nhuyễn thể thông qua việc sản sinh các enzyme tiêu hóa như proteases và lipases. Probiotics được sử dụng như thực phẩm bổ sung qua đó hoạt động của các vi khuẩn này trong đường ruột của vật chủ tạo ra nguồn vitamin cũng như amino acid dồi dào cho vật chủ.

Tăng cường hệ miễn dịch

Hệ miễn địch không đặc hiệu sẽ được kích thích bởi các probiotics. Việc bổ sung Clostridium butyricum vào thức ăn cho cá hồi cầu vòng (rainbow trout) đã làm tăng hoạt động thực bào của các leucocytes. Đối với tôm sú (Penaeus monodon) thì việc sử dụng Bacillus sp. (dòng 11) cho thấy sự tăng cường miễn dịch thể dịch và miễn dịch tế bào của tôm.

Cải thiện chất lượng nước ao

Tảo nở hoa trong ao nuôi cá, probiotic có khả năng kiểm soát tảo trong ao nuôi tôm cá. Hình Huỳnh Như

Cá thải nitơ (nitrogen) dưới dạng NH3 và NH4+, làm tăng hàm lượng ammonia trong nước ao nuôi, hình thành khí độc trong ao nuôi. Một số dòng vi khuẩn như Nitrosomonas (có khả năng chuyển hóa ammonia thành nitrate), Nitrobacter chuyển hóa nitrite thành nitrate. Nitrate chỉ gây độc với hàm lượng cao. Vi khuẩn khử sulfate oxy hóa các hợp chất hữu cơ trong nước (ethanol, methanol, lactace, acetate) giải phóng ion sulfide ít độc cho động vật nuôi. Một số vi khuẩn có khả năng làm giảm hàm lượng methane (CH4) trong nước, làm cho methane được giải phóng trong không khí qua đó chất lượng nước được cải thiện.

 Tác động đến hệ phiêu sinh thực vật

Probiotics có khả năng diệt tảo trong ao nuôi đặc biệt là hiện tượng tảo đỏ. Do đó, không nên sử dụng probiotics trong quá trình ương nuôi ấu trùng với mô hình nước xanh. Trường hợp cải tạo ao nếu muốn gây màu nước kích thích sự phát triển của tảo cũng nên hạn chế việc sử dụng probiotics trong giai đoạn này.

 Kháng virus

Một số probiotics có khả năng ức chế hoạt động của virus. Một số chiết xuất từ tảo biển và chiết xuất từ tế bào vi khuẩn có khả năng ức chế hoạt động của virus bởi các phản ứng hóa sinh bề mặt. Một số dòng vi khuẩn Pseudomonas sp., Vibrios sp., Aeromonas sp., và một vài nhóm vi khuẩn hình que được phân lập trong quá trình ương ấu trùng cá hồi có khả năng chống lại virus gây bệnh hoại tử khả năng tạo máu ở cá hồi (IHNV).

Xu hướng nghiên cứu ứng dụng probiotics trong nuôi tôm                        

Probiotics được ứng dụng rộng rãi trong ương nuôi tôm. Một số dòng vi khuẩn như Vibrio alginolyticus và B. subtilis được dùng trong nuôi tôm vì chúng có khả năng ngăn chặn sự phát triển của các vi khuẩn gây bệnh như Vibrio harveyi, V. parahaemolyticus và V. splendidus.

Nghiên cứu ứng dụng Bacillus S11 trong nuôi ấu trùng tôm sú cho thấy, tỉ lệ sống của tôm post tăng lên nhiều so với việc không sử dụng probiotics sau khi cảm nhiễm với vi khuẩn gây bệnh phát sáng. Tỉ lệ sống cũng như tăng trưởng của tôm tăng lên sau khi bổ sung Lactobacillus spp. chiếc xuất từ ruột gà cho tôm ăn. Dòng vi khuẩn Bacillus subtilis BT23 có khả năng kiểm soát sự phát triển của vi khuẩn gây bệnh V. harveyi. Nghiên cứu thí nghiệm cho thấy 3 dòng vi khuẩn Vibrio P62, Vibrio P63 và Bacillus P64 được phân lập từ gan tụy của tôm có tác dụng ức chế sự phát triển của V. harveyi S2 với tỷ lệ lần lượt là 83, 60 và 58%.