水產養殖面臨之疾病問題
由於海洋環境污染的日益嚴重，海洋資源逐漸匱乏，由海洋捕撈之漁獲產量已無法滿足人類食用的消費需求，因此水產養殖扮演供應人類水產品需求的角色日益重要。然而由於全球養殖土地面積有限，集約的養殖方法常用來增加單位養殖面積的漁獲產量，但高密度的養殖方式易造成有機物堆積，導致各種病原菌增生而引起疾病發生，一旦疾病爆發常造成嚴重魚體死亡與經濟損失，此問題已成阻礙全球水產養殖產業永續發展的主要絆腳石。面對養殖疾病問題，雖然抗生素或化學藥劑對於疾病的預防或治療具有相當效果，但藥劑的過度使用已造成養殖環境產生抗藥性病原菌、破壞抗生素的使用效能、破壞養殖環境生態、以及抗生素殘留魚體衍生對人體食用安全危害等問題。有鑑於此，發展藥物替代的生物控制策略對水產養殖的永續發展有其必要性，而利用益生菌調節水生動物免疫力以防止水產養殖疾病則是一種相對環境友善的策略方式。
益生菌的開發原則
人類使用益生菌具有長久歷史，最早由俄國學者Elie Metchnikoff學者因研究保加利亞農民長壽的秘訣，於1907年出書提倡食用乳酸菌(lactic acid bacteria; LAB)有助於人體健康，爾後才出現益生菌(Probiotics)的字。2002年世界衛生組織(World Health Organization; WHO)將益生菌定義為當適量食用時能夠促進腸胃道菌群平衡且有利宿主健康之活微生物，然而考量水生動物與一般陸生動物的生存環境不同，其健康狀態與外部的環境(如水質、酸鹼度、鹽分以及共生的微生物)等因素息息相關，因此Verschuere 等學者將益生菌重新定義為有利於宿主改善飼料利用率、提供營養價值、改良外在環境或增加抗病能力的活微生物，以符合水生動物之需求。目前市場上已可見多樣的益生菌商品，然而商業商品是否適合水生環境或是否能對特定水生動物展現功效需要研究驗證。水產養殖用之潛力益生菌可由水生動物之腸道、黏膜、養殖水源環境篩選而得，而潛力益生菌一般而言具有以下特性：(1)對宿主無害，(2)能通過胃酸環境定殖(colonization)於宿主腸道，(3)不帶有抗藥性基因，(4)具分泌水解酵素特性，(5)具分泌抗菌物質抵抗病菌之特性，上述特性中，潛力益生菌並非須具備所有條件，但對宿主無害則為必要之條件。
益生菌的水產養殖應用
目前水產養殖使用之益生菌以乳酸菌與芽孢桿菌屬(Bacillus)為主，對於水生宿主可提供多重益處，包含增進飼料效益與促進宿主成長，調節免疫與提升疾病抵抗、改善宿主腸道菌相、改善水質環境等，下列就益生菌展現之功效原理與機制作簡要說明：
(1) 增進飼料效益與促進宿主成長
益生菌可製造多種胞外水解酵素，如蛋白酶(protease)、澱粉酶(amylase)、脂解酶(lipase)、纖維酶(cellulase)、木聚糖酶(xylanase)與植酸酶(phytase)等，能加強飼料的分解，提供腸道中維生素或胺基酸的來源，促進魚體營養的吸收與利用，強化宿主的營養代謝，改善飼料效益，進而促進魚體的成長。
(2) 調節免疫與提升疾病抵抗
水生動物存活於充斥著各種病原菌的水中，因此免疫系統發展出各種不同的防禦機制以抵抗病原菌的感染，魚類的主要淋巴器官為胸腺、頭腎(head kidney)與脾臟，與其他脊椎動物一樣，包含有先天免疫(非特異性免疫)與後天免疫系統。在魚類的所有發育生長階段，非特異免疫防禦機制扮演相當重要的角色，主要區分為生理的屏障(physical barrier)、體液免疫(humoral immune)與細胞組成(cellular components)。魚類非特異性免疫的生理屏障包含黏膜、上皮組織組成之皮膚、鰓與胃；體液免疫則是利用溶菌酶(lysozyme)、抗菌胜肽、蛋白水解酵素與補體等破壞病菌；細胞組成則包含各種特化白血球細胞(leukocytes)如monocytes/macrophages與非專一性的毒殺細胞，假使病原菌入侵破壞穿過生理屏障，特化細胞則會藉由發炎細胞因子聚集於病菌入侵的部位，進一步吞噬與破壞入侵的病菌。在細胞組成中，吞噬細胞(Phagocytes)如嗜中性白血球(neutrophils)與巨噬細胞(macrophage)在非特異性免疫系統中作為第一道防線，對於抵抗各種病原菌入侵扮演重要角色，phagocytes表面上包含有病原體相關分子受器(Pattern recognition receptors; PRRs)，可廣泛辨識病原分子誘導促發炎細胞激素如TNF-α與IL-1β的產生以加速病菌之清除，同時這些吞噬細胞也具備完整的殺菌功能，一旦病菌被吞噬形成吞噬溶酶體(phagolysosome)後，這些細胞會分泌各種酵素(蛋白酶、核酸酶、磷酸酶、酯酶和脂肪酶)和抗微生物胜肽將入侵之病菌消除。益生菌如何調節魚類免疫的機制目前仍未完全瞭解，其對魚體免疫調節的主要功效是扮演疾病預防的角色，益生菌及正常腸道共生菌群與魚體的免疫維持緊密關係，一旦病原菌入侵體內，腸道共生菌群及益生菌會誘發黏膜免疫力，立即活化先天免疫細胞如monocytes/macrophages與neutrophils以抵抗病菌感染。
(3) 改善腸道微生物菌叢
動物體腸道存在之菌叢種類眾多，而病原菌附著於腸道黏膜的表面是對宿主造成傷害的前提條件，益生菌定殖於腸道可與病原菌競爭腸道上的接觸位置，降低病原菌的傷害，尤其水體動物的生存環境不斷與水中的病原菌接觸，因此相較於陸生動物，增加水體動物腸道的有益菌叢相當重要。此外益生菌定殖腸道後的代謝產物，對於抑制有害微生物與促進腸道有益菌叢扮演相當重要角色，例如益生菌代謝產生之抗菌物質或有機酸可有效抑制有害微生物的生長，增進有益菌叢的增生與多樣性；益生菌代謝分泌之胞外多糖可作為腸道有益菌的營養成分，促進有益菌叢的增生，此為益生菌能有效改善腸道菌相的重要機制之一。
(4) 改善水質
水質因素(如酸鹼度、溶氧濃度、氨、亞硝酸、硝酸與硬度)在水產養殖之生產扮演重要角色，不良養殖水的品質將增加魚體對疾病的感受度，容易導致疾病爆發。益生菌不僅可以調節魚體免疫，有時同時具備改善水質之功能，因此益生菌具有潛力作為水產養殖生物防治(biocontrol)與生物修復(bioremediation)的生物製劑。益生菌改善水質的主因是影響水中微生物的組成、減少病原菌的數量與減低水中有害物的含量。例如硝化細菌於水中主要功能乃將氨氮與亞硝酸鹽轉化為硝酸鹽，有效降低水中氨氮與亞硝酸鹽的毒害濃度。
總結
藥物過度使用所衍生的問題(抗藥性致病菌的散佈、藥物殘留的食安風險與對環境生態造成破壞衝擊等)已成為全球關注之議題，目前世界各國法規已逐漸禁止抗生素作為動物飼料添加物的使用，例如歐盟在2006年、韓國2011年、越南及印尼於2018年已全面禁用外，美國、 臺灣、日本與中國則逐步減用限制中。由此可知，抗生素的禁用或趨於嚴格的使用限制是未來國際的趨勢與共識。益生菌能賦予宿主健康正面的效益，具備藥物替代的疾病控制應用潛力，惟水產養殖應用上仍須注意菌株使用之安全性、使用劑量與處理方式，且水產養殖物種眾多，各物種特性與生長條件不盡相同，益生菌仍須實際評估方能確定其功效，相信益生菌的成功應用與推廣將有助於水產養殖產業的永續發展。
作者簡介
胡紹揚 教授
主要研究方向觀賞魚開發、分子生物學、應用微生物及生物反應器開發。