Tiết lộ tiềm năng của vi khuẩn đối với nuôi trồng thủy sản

Công nghệ đã cải thiện tính chính xác và phân tích khả năng của vi khuẩn

Vi sinh vật có mặt ở khắp mọi nơi trên trái đất, từ phun trào thủy nhiệt dưới đáy đại dương, môi trường địa cực cực kỳ lạnh, suối nước nóng Vườn quốc gia Yellowstone, đến hệ thống đường ruột của con người và động vật. Vi khuẩn, không nhìn thấy bằng mắt thường, chiếm khoảng 4-6 × 1030 tế bào sinh quyển Trái Đất, hoặc 2-5 trong tổng số các tế bào động vật và thực vật.

Nhỏ hơn hạt cát mịn từ vài trăm đến một ngàn lần, vi sinh vật bao gồm virus, nấm, nguyên sinh vật, ba nhóm sinh vật đơn bào nguyên thủy và đáng chú ý nhất là vi khuẩn hình thành trong hệ sinh thái của chúng ta thông qua trao đổi chất tập thể của chúng. Nhìn chung, vi khuẩn đã thích nghi với môi trường sẽ phát triển mạnh và đánh bại những vi khuẩn không phù hợp. Không phải tất cả các cộng đồng vi khuẩn sống ở các hệ sinh thái khác nhau là như nhau.

Bản chất của các yếu tố hóa lý xung quanh giúp chúng hình thành một cách phức tạp trong cộng đồng và góp phần tạo ra các chức năng hệ sinh thái. Tuy nhiên, chức năng thực sự của cộng đồng vi khuẩn khác nhau ở hầu hết các môi trường - bao gồm các hệ thống nuôi trồng thủy sản - vẫn chưa được hiểu rõ.

Cộng đồng vi khuẩn có vai trò đa dạng

Các nghiên cứu gần đây đã chỉ ra rằng động vật, kể cả con người, dựa vào cộng đồng vi khuẩn của mình để quyết định những vi khuẩn hỗ trợ sức khỏe vật chủ. Ví dụ, một số loài Escherichia coli được công nhận là cộng sinh hạnh phúc trong ruột, lấy chất dinh dưỡng từ chế độ ăn uống của con người hàng ngày và trả lại vật chủ bằng cách tạo ra các vitamin thiết yếu được hấp thụ trong ruột của chúng ta.

Vai trò của vi khuẩn có lợi đã là một chủ đề đáng quan tâm trong lĩnh vực khoa học, và nghiên cứu đã mô tả nhiều lợi ích của cộng đồng vi khuẩn nhất định trong việc cải thiện hệ miễn dịch, hỗ trợ quá trình tiêu hóa thức ăn, ngăn chặn sự xâm lấn của vi khuẩn có hại, và góp phần thúc đẩy sức khỏe toàn diện của cơ thể.

Mặt khác, sự xáo trộn trong cộng đồng vi khuẩn có thể gây ra tác động tiêu cực đối với sức khỏe vật chủ. Những thay đổi lớn trong cơ cấu cộng đồng vi khuẩn điển hình của một sinh vật có thể là áp lực môi trường, tính khả dụng dinh dưỡng, tiếp xúc với hóa chất, hoặc xâm nhập của vi khuẩn có hại. Trong một số trường hợp, các thay đổi có thể lành tính, và sau đó cộng đồng “ổn định” bình thường. Nhưng ở các trường hợp khác, tình trạng trì trệ có thể gây hậu quả nghiêm trọng lâu dài cho vật chủ.

Mối quan hệ có lợi giữa vật chủ-vi khuẩn mở rộng đến tất cả các loài động vật, đặc biệt là những loài có tầm quan trọng trong nông nghiệp. Nếu tìm hiểu rõ vai trò của vi khuẩn đến vật chủ sẽ rất có ích cho sản xuất cung cấp chất lượng. Giống như con người, bò và các loài gia súc dựa vào cộng đồng vi khuẩn ruột để tiêu hóa hiệu quả, do đó biết được tầm quan trọng của hệ vi khuẩn trong việc duy trì sức khỏe đường ruột sẽ cần thiết cho sự hấp thu chất dinh dưỡng.

Thực tế, những nỗ lực để tìm hiểu quần thể vi sinh thường xảy ra ở động vật nuôi và sản xuất đã dẫn đến ứng dụng thực tế, chẳng hạn sử dụng tập trung các vi khuẩn như chế phẩm sinh học để tăng cường sức khỏe trong khi phá vỡ các vi sinh vật trong tự nhiên. Các ứng dụng hiện tại của chế phẩm sinh học đã cho thấy sự thành công, đó là: 1) ổn định cộng đồng vi khuẩn ruột, (2) giảm sự tấn công của bệnh lý đường ruột liên quan mà không cần dùng kháng sinh, (3) thúc đẩy tăng cân, và (4) giảm sản xuất chất thải.

Hình 1:. Các ứng dụng của công nghệ giải trình tự thế hệ mới (NGS) và Kính hiển vi điện tử truyền (TEM) cho thấy tiềm năng của vi sinh vật ở động vật thủy sản trong việc giải quyết phân loại cao nhất có thể.

Phân tích vi sinh vật và nuôi trồng thủy sản

Thực hành nuôi trồng thủy sản đã mở rộng kể từ đầu những năm 1950, với một kế hoạch toàn cầu của hơn 60 phần trăm cá ăn trong hệ thống nuôi trồng thủy sản vào năm 2030. Nhờ sự mở rộng này, chúng ta có thể tận dụng tối đa môi trường kiểm soát nuôi trồng thủy sản nhằm cải thiện sức khỏe sinh vật, cung cấp chất lượng, thúc đẩy sử dụng prebiotic, chăn nuôi có kiểm soát, tối ưu hóa dinh dưỡng thức ăn và giảm bớt thuốc kháng sinh.

Điều này cũng bao gồm xây dựng chiến lược cho tuần hoàn nước sạch trong hệ thống khép kín và cung cấp một địa điểm cho những đột phá khoa học và khám phá - trong khi giảm đánh bắt cá quá mức, ô nhiễm nguồn nước ven biển và sản xuất metan. Chúng ta vẫn chưa hoàn toàn nắm rõ những biến đổi gần đây đối với việc cải thiện sức khỏe cá và chất lượng protein trong nuôi trồng thủy sản, cũng như không sử dụng các vi khuẩn liên quan nhằm chứng minh lợi ích của chúng đối với sức khỏe.

Cho dù cá linh tinh hay không xương sống, nước mặn hoặc nước ngọt, tất cả các loài thủy sản sẽ có cộng đồng vi khuẩn đồng phụ thuộc, trong nhiều trường hợp, sẽ quyết định sự thành công khi sản xuất những loài này. Thật không may, thế giới của vi sinh vật phần lớn bị lãng quên, và cho đến bây giờ, 1 nghìn tỉ vi sinh vật cộng với các cơ quan sống trong ruột người, cùng với vai trò tiềm năng của chúng trong chức năng vật chủ, đã bị bỏ qua.

Công nghệ cải tiến mới 

Thật may mắn cho ngành nuôi trồng thủy sản, thiên niên kỷ mới mang đến những công nghệ cải tiến, cho phép các nhà nghiên cứu đi sâu vào thế giới của các cộng đồng vi khuẩn khi chúng cùng tồn tại hài hòa với các sinh vật khác. Cụ thể, công nghệ giải trình tự NextGen DNA cùng với phần mềm máy tính tin học đã góp phần vào việc nghiên cứu các vi sinh vật, mang lại thuật ngữ tập hợp DNA của vi sinh vật (vi sinh vật) từ một môi trường sống. Ứng dụng công nghệ này giúp suy ra tính đồng nhất, chức năng và xu hướng dân số dựa trên giải trình tự DNA của vi sinh vật, thúc đẩy nỗ lực tìm hiểu cấu trúc vi khuẩn có ảnh hưởng như thế nào đối với sức khỏe và bệnh của vật chủ.

Khi công nghệ này có sẵn và giá cả phải chăng thì vài năm trở lại đây đã thấy một tia sáng trong các nghiên cứu vi sinh vật tập trung vào nuôi trồng thủy sản phổ biến. Cho đến nay, nhiều nghiên cứu đã thực hiện bước tiến đáng kể nhằm xác định: 1) vi khuẩn khỏe mạnh trông như thế nào, 2) làm sao có thể phá vỡ cộng đồng này, 3) những gián đoạn mang lại hậu quả gì, và 4) loài vi khuẩn hoặc cộng đồng vi khuẩn đặc trưng nào ảnh hưởng lớn nhất đến sức khỏe hoặc bệnh tật của vật chủ.

Các kiến thức thu được trong lĩnh vực quan tâm đã mở ra một cánh cửa: khám phá tiềm năng giám sát, duy trì, điều chỉnh và thu hoạch cộng đồng vi khuẩn, đặc biệt là ở các loài nuôi trồng thủy sản. Khi ngành công nghiệp nuôi trồng thủy sản tiếp tục phát triển, nhận thức về thế giới vô hình này có thể nắm giữ chìa khóa để tăng cường sức khỏe, tăng sự hấp thu chất dinh dưỡng, ngăn ngừa bệnh tật và cách mạng hóa phương pháp tiếp cận nhằm sản xuất và duy trì nguồn cung cấp chất lượng.

Kiến thức về vi khuẩn giúp nâng cao hiệu suất nuôi trồng thủy sản

Câu hỏi thực tế là: kiến thức về vi khuẩn có thể giúp cải thiện sức khỏe và sản xuất động vật thủy sản tại thời điểm tăng cường sản xuất lương thực trên toàn thế giới hay không? Câu trả lời nằm ở tình trạng nghiên cứu hiện tại và khám phá tương lai của các nhà khoa học và nuôi trồng thuỷ sản. Trong những năm gần đây, công nghệ đã cải thiện tính chính xác và phân tích khả năng của vi sinh vật cũng như tiếp tục là phần mềm dễ sử dụng hơn. Giới thiệu các phương pháp nuôi trồng thủy sản có thể làm sáng tỏ các cấu hình vi khuẩn duy nhất so với các sinh vật cụ thể liên quan đến môi trường nuôi trồng thủy sản.

Tìm hiểu về hệ vi sinh vật ổn định của các động vật thủy sản có thể giúp chúng ta theo dõi chúng nhằm đảm bảo sức khỏe, chế độ dinh dưỡng tốt và dự đoán tình trạng bệnh. Chúng tôi dự đoán rằng các cộng đồng vi khuẩn cá rất đa dạng giữa các loài cá khác nhau, do đó càng chia sẻ thông tin với cộng đồng nuôi trồng thủy sản trên hệ vi sinh vật càng nhiều, thì chúng ta càng có thể kết hợp những loài vi khuẩn hoặc cộng đồng lại với nhau nhằm góp phần tăng cường chất dinh dưỡng và sức khỏe vật chủ.

Triển vọng

Tập trung vào việc bảo tồn và phát huy những loài vi khuẩn bẩm sinh có lợi cho sức khỏe có thể dẫn đến kết quả biến đổi, từ tối đa hóa sự hấp thu chất dinh dưỡng đến sản xuất sản lượng protein cao và cải thiện hệ thống miễn dịch cá để chống lại bệnh tật. Điều này sẽ thúc đẩy sự phát minh ra những loài probiotic cụ thể.

Xây dựng chế phẩm sinh học vi khuẩn có thể từ bỏ sự phụ thuộc hoàn toàn vào phương pháp điều trị kháng sinh. Điều này có thể làm giảm sự ảnh hưởng của kháng sinh vào môi trường, đối trọng vi khuẩn kháng kháng sinh và dẫn đến xuất khẩu vật nuôi có chất lượng tốt.

Ngoài ra, kết hợp kháng sinh phổ biến với các chất phụ gia vi khuẩn probiotic cụ thể có thể làm giảm tỷ lệ kháng sinh liên quan đến tác dụng phụ trong các quần thể cá. Xem xét cách xử lý nước (trước đây được cho là vô hại) có thể bắt đầu từ vi khuẩn cá trong nuôi trồng thủy sản sẽ góp phần duy trì sức khỏe cá với quy mô lớn.

Bên cạnh đó, chúng ta không giới hạn cá linh tinh. Có rất nhiều loài không có xương sống được tăng cường nuôi bằng cách tìm hiểu vai trò của vi sinh vật trong sự phát triển và sức khỏe của chúng.

Cuối cùng, việc xác định vai trò đa dạng của quần thể vi sinh khắp sinh vật, từ ruột đến mang, có thể tiết lộ thông tin dẫn đến cách tiếp cận sáng tạo để tăng cường sức khỏe thông qua hệ vi sinh vật. Hiểu về thế giới bí mật này có thể khám phá tiềm năng thay đổi thực hành nuôi trồng thủy sản hoàn toàn.