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黑水虻饲料对大西洋鲑鱼肠道微生物组的调节及代谢能力预测

发布日期：2022-02-18 16:17:44浏览次数：374

摘要

黑水虻是一种很有前途的昆虫品种，可作为一种新的鱼类饲料原料。其幼虫由三大部分组成，即蛋白质、脂质和外骨骼。这些成分含有生物活性化合物，如抗菌肽，月桂酸和几丁质等，可以调节鱼的肠道微生物组。然而，黑水虻饲料如何影响鱼类肠道菌群，以及昆虫哪一部分会影响鱼类肠道菌群，目前尚未定论。

在本研究中，将黑水虻幼虫经过三种处理 (全脂、脱脂和脱几丁质)和分为两种成分(虫油和外骨骼)，再纳入大西洋鲑鱼的饮食中喂食8周。

与类似商业饲料的对照饲料进行比较发现，添加黑水虻后，鲑鱼肠道变形菌门丰度降低，厚壁菌门丰度增加。含有几丁质的饲料，即昆虫饲料或外骨骼饲料，增加了鲑鱼肠道中几丁质分解菌(包括乳酸菌和放线菌)的丰度，其中全脂黑水虻饲料的几丁质分解菌丰度最高。含有昆虫脂类的饲料，即昆虫饲料和油脂饲料丰富了鱼肠道中的杆菌科。饲料中含有全脂黑水虻粉的鱼具有独特的肠道微生物组成，主要是有益的乳酸菌和放线菌，可能对粘蛋白降解的预期增加。

本研究结果表明，在大西洋鲑鱼海水养殖前期添加黑水虻虫粉及其组分可以不同程度地调节其肠道菌群组成及其代谢能力。在鲑鱼饲料中使用全脂黑水虻虫粉比通过分离脂质或外骨骼组分加工的幼虫更有利于有益的肠道菌群调节。

研究背景

在过去30年里，水产养殖一直是增长最快的粮食生产部门，预计将为全球动物源蛋白供应做出重大贡献。然而，在鱼类饲料的可持续原料供应方面有一个主要的限制，即鱼粉和鱼油通常用于鱼类饲料，但由于高市场价格、资源使用冲突和环境问题等，这种做法已不再是可持续发展的。替代性植物原料，如豆制品，也引起了与人类食物消费、作物生产加剧、森林砍伐和其他环境问题相关的严重伦理和可持续发展问题。而且，抗营养因子的存在也进一步限制了植物成分的使用。因此，水产养殖需要开发可持续的新型饲料原料，以保持经济和环境上的可持续性。

在过去的几年里，人们对使用昆虫作为可持续发展的新型鱼饲料原料的兴趣越来越大。尽管昆虫的产量还不能与传统饲料来源竞争，但欧盟委员会批准在水生饲料中使用加工过的昆虫(法规2017/893/EC, 2017)促进了昆虫作为鱼类饲料成分的升级。黑水虻由于营养价值高、对环境影响小和适合大规模生产，成为一种很有前景的饲料昆虫。在过去的十年中，越来越多的研究已经成功地将其用于不同鱼类的饮食中，包括大西洋鲑鱼。多数研究表明，在低至中等饲粮添加水平下，黑水虻虫粉不会影响三文鱼的生长性能。其他研究也显示，饲喂黑水虻虫粉饲料对三文鱼的肠道健康有积极影响，证实了其作为三文鱼饲料中的一种新成分的潜力。

到目前为止，对饲料中添加黑水虻的鱼类肠道菌群的研究大多局限于分类成分的分析。此前很少有研究表明，以昆虫为基础的饲料可以调节鱼类肠道微生物群落的功能，且肠道微生物群落的变化随鱼类的不同而不同。我们仍远未了解黑水虻及其特定化合物如何影响大西洋鲑鱼肠道微生物群的功能，这对于识别潜在的鱼类-微生物群相互作用至关重要。因此，本研究的目的是通过高通量测序技术，通过分别饲喂黑水虻幼虫餐(全脂、脱脂和脱几丁质餐)和组分(油和外骨骼)后，比较大西洋鲑鱼海水养殖前期的肠道微生物群的组成、多样性和代谢能力。

实验方法

1.试验饲料

黑水虻幼虫由波兰公司HiProMine S.A饲养并将其加工成三类（全脂、脱脂和脱壳)和两种成分（虫油和外骨骼)。使用室内空气流动干燥机将黑水虻幼虫在110°C下干燥1小时，然后在80°C下干燥23小时，直到达到恒定的重量，用以生产全脂BSF幼虫粉。用榨油机将一部分干全脂餐进行脱脂，以生产脱脂餐和油。幼虫使用食品压榨机双螺杆加工机在110°C干燥1 h,然后在80°C干燥 23 h达到恒重后，使用箱式气流干燥器生产脱甲壳素粉和外骨骼成分。

黑水虻幼虫具有丰富的饱和脂肪酸(占总脂肪酸的71%)，主要为月桂酸(占总脂肪酸的40%)。

配制6种符合大西洋鲑鱼NRC营养需求的试验饲料包括：含有鱼粉、植物蛋白粉和鱼油的类似商业的对照饮食(CD);三种饮食含有黑水虻幼虫，两种饮食含有黑水虻组分。三种黑水虻饲料分别含有全脂(IM)、脱脂(DFIM)和脱几丁质(DCIM)的黑水虻饲料，替代CD蛋白质含量的15%。两种黑水虻组分饲料中含有黑水虻虫油(IO)或外骨骼(EX)。分别在饲粮中添加与IM饲粮中黑水虻虫油和几丁质含量相匹配的油和外骨骼。表1显示了六种试验饲粮的成分和化学成分。

2.鱼类研究和取样

鱼类研究在挪威NMBU鱼类研究中心进行。将900只海水养殖前期大西洋鲑鱼 (平均初始体重为28 g)分配到18个玻璃纤维容器中，随机饲喂6种试验饲料中的一种(n=3)，为期8周。在循环淡水(14.4±0.4°C)和连续光照环境下饲养。实验结束时，每个鱼缸随机抽取6条鱼，用甲基磺酸三卡因(MS-222) (80 mg/L)麻醉后安乐处死，并记录下它们的体重。取颜色较深，直径较大的环状远端肠管纵向打开，食糜在无菌条件下移入冷冻管，在液氮中快速冷冻，并在- 80°C保存。此外，无菌采集饲料样品和水箱水源水样，并在- 80°C保存。

结果

1.与水和饲料有关的微生物群

水中的微生物群以变形菌门(40%)和拟杆菌门(29%)等为主(图1a,b)。饲料样品的分类组成取决于饲粮(图1c, d)。在门水平上，饲料中的微生物群以变形菌门、厚壁菌门和放线菌门为主。CD饲料中变形菌门的丰度(75%)高于昆虫饲料(28-47%)。相反，昆虫饲料中厚壁菌门丰度较高(CD为18%，昆虫饲料为39-55%)，放线菌门丰度较高(CD为3%，昆虫饲料为9-13%)(图1c)。在属或最低分类水平上，与昆虫饲料相关的微生物群落中，海洋杆菌、放线菌、短杆菌、乳酸杆菌、杆菌科等的丰度高于CD饲料，而摩根氏菌仅存在于昆虫饲料颗粒中。CD饲料以光细菌为主(52%)(图1d)。

2.肠道微生物群

肠道菌群的分类组成与饲料有关。在门水平上，与CD饲料(分别为49%和26%)相比，饲喂黑水虻饲料的鱼的肠道菌群厚壁菌门丰度(54-67%)更高，变形菌门丰度(2 - 20%)更低。除IO外，饲喂黑水虻饲料的鱼也有较高的放线菌丰度(CD为20%，昆虫饲料组为23-30%)(图2a)。在属或最低分类水平上，乳杆菌属是IM组(25%)和DFIM组(15%)的优势菌群。黑水虻饲料组和EX组的放线菌丰度(9-17%)高于CD组和IO组(4%)。除EX组外，黑水虻饲料中杆菌科的丰度为7-15%，高于CD饲料(2%)。DCIM组棒状杆菌丰度最高(8%)。IO组和EX组分别以大洋芽孢杆菌属(17%)和葡萄球菌(16%)为主，CD组以泛菌属(7%)和葡萄球菌(6%)为主(图2b)。

通过LEfSe测定各组饲料中丰度差异显著的鱼肠道菌群特征。LEfSe结果显示了各饮食组中显著富集的类群。在LDA评分为3.5时，CD组中显著富集的类群大部分属于γ-变形菌和梭菌类，而在γ-变形菌中富集的类群中有发光杆菌属和弧菌科（图3）。IM组中显著富集的类群主要属于放线菌门和杆菌类，如乳酸菌门、肠球菌科、RsaHf231、放线菌门和肠球菌。DFIM显著富集了微球菌科和拟糖球菌属，而DCIM组棒状杆菌属和短杆菌属的丰度显著高于DCIM组。IO主要富集硅藻目、海洋杆菌属、芽孢杆菌属、缺氧杆菌属和假单胞菌属。EX主要富集于patescibacterium门和葡萄球菌属、分枝杆菌属。

LDA评分为4时，比较CD组与IM组，LEfSe检测到52个细菌分支(各26个)，在IM组和CD组之间丰度差异有统计学意义。与CD组相比，IM饲料富集类群主要分为放线菌纲和杆菌纲。这些分类的富集类群包括RsaHf231、乳酸杆菌、杆菌门、杆菌科、放线菌、海洋杆菌和短杆菌。与CD组相比，DFIM、DCIM和EX组中大部分细菌类群也显著富集。此外，与CD组相比，DCIM组还富集了不动杆菌属和棒状杆菌属，EX组富集了葡萄球菌属。与CD组相比，IO饲料主要富集了杆菌科和海洋杆菌类的类群。

3.肠道微生物群的代谢能力

根据代谢途径对反应进行分组，发现饮食组间平均丰度的显著不同富集了32条通路。与CD组相比，IO组的肠道菌群中富集路径最多(22条)。IM和IO组在代谢能力方面预测与其他组不同。与其他组相比，这两组分别显示了粘蛋白o -聚糖降解和FA合成代谢途径的富集。

与CD组比较，IM组预测脂多糖生物合成、维生素代谢、FA合成和氧化降低，而DFIM组显示了粘蛋白o -聚糖降解、淀粉和蔗糖代谢以及缬氨酸、亮氨酸和异亮氨酸代谢的预测富集。与CD组相比，DCIM、IO和EX显示了与氨基酸代谢和FA合成相关的代谢途径的预测富集。

结论

本研究结果表明，饲喂黑水虻幼虫不同程度地调节了大西洋鲑鱼海水养殖前期的肠道微生物组成、多样性。

昆虫食物和组分都降低了鱼肠道中变形菌门的丰度，增加了厚壁菌门的丰度。含有黑水虻甲壳素的饲料(昆虫餐和外骨骼餐)增加了几丁质降解性乳酸菌和放线菌的数量，而含有黑水虻脂质的饲料(昆虫餐和油脂餐)增加了芽孢杆菌的丰度。全脂黑水虻虫粉饲料产生了独特的肠道微生物组成，主要由有益的乳酸菌和放线菌组成，与饲喂其他饲料的鱼相比，预期可以增加粘蛋白降解。

综上所述，与经过加工的黑水虻幼虫（分离脂质和外骨骼组分）相比，全脂黑水虻幼虫粕更有利于三文鱼肠道菌群的调节。

感谢原文作者的研究与分享

Modulation of Atlantic salmon (Salmo salar) gut microbiota composition and predicted metabolic capacity by feeding diets with processed black soldier fy (Hermetia illucens) larvae meals and fractions;Pabodha Weththasinghe1*, Sérgio D. C. Rocha1 , Ove Øyås1,2, Leidy Lagos1 , Jon Ø. Hansen1 , Liv T. Mydland1 and Margareth Øverland1*

Author details:1 Department of Animal and Aquacultural Sciences, Faculty of Biosciences, Norwegian University of Life Sciences, P.O. Box 5003, 1432 Ås, Norway. 2 Faculty of Chemistry, Biotechnology and Food Science, Norwegian University of Life Sciences, Ås, Norway.

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