Vi khuẩn gây bệnh chính là mối quan tâm chính trong ngành nuôi trồng thủy sản. Hầu hết những mầm bệnh này là vi khuẩn cơ hội, luôn có mặt hệ vi sinh trên bề mặt và trong ruột động vật, và trong môi trường đất và nước. Miễn là điều kiên nước, sức khỏe động vật và hệ vi sinh duy trì ổn định, khả năng mầm bệnh cơ hội gây ra dịch bệnh rất thấp.

Tuy nhiên, khi các điều kiện biến động, chất lượng nước suy giảm, và sức khỏe động vật bị tổn hại, các tác nhân cơ hội sẽ nắm lấy thời cơ, sinh sản rất nhanh và gây ra bệnh truyền nhiễm. Vì vậy, để kiểm soát mầm bệnh cơ hội, duy trì sự ổn định của môi trường và chất lượng nước là vô cùng quan trọng.

Kĩ năng quản lý ao nuôi chính là điều kiện tiên quyết. Ngoài ra, có thể áp dụng các biện pháp sử dụng vaccine và kháng sinh nhưng chúng cũng có nhiều nhược điểm. Vaccine vẫn chưa được nghiên cứu hết cho mọi loài và mọi căn bệnh. Chỉ có vaccine cho một vài bệnh, chủ yếu là những bệnh truyền nhiễm nhanh, và vaccine không thực sự hiệu quả cho tôm. Hiệu quả của vaccine phụ thuộc vào nhiều yếu tố, chẳng hạn như tình trạng miễn dịch và kích thước động vật, lộ trình và chế độ quản lý. Ngoài ra, việc sử dụng vaccine rất tốn kém, tốn nhiều công sức và dễ làm động vật bị căng thẳng.

Trước đây, kháng sinh thường được sử dụng để thúc đẩy tăng trưởng cũng như phòng chống bệnh tật. Tuy nhiên, việc sử dụng kháng sinh không được kiểm soát đã dẫn đến sự gia tăng các kiểu hình kháng thuốc ở các vi khuẩn gây bệnh. Áp lực chọn lọc liên tục không chỉ kích hoạt khả năng kháng thuốc, mà còn truyền chúng vào môi trường. Do đó, việc áp dụng kháng sinh như là biện pháp phòng ngừa đang gây rất nhiều tranh cãi.

Ngày nay, một loạt các sản phẩm thay thế được đưa ra để cải thiện sức khỏe động vật, chất lượng nước và kiểm soát tải lượng mầm bệnh. Việc sử dụng vi khuẩn có lợi, hoặc chế phẩm sinh học, là một cách để duy trì tình trạng ổn định và ngăn ngừa mầm bệnh cơ hội xâm nhập.

Kiểm soát chất lượng nước

Trong quá trình nuôi trồng thủy sản, phân, nước tiểu và thức ăn thừa được thải vào nước nuôi. Khi các vật chất hữu cơ này tích tụ, mức độ các hợp chất độc hại tăng lên và chất lượng nước cũng theo đó suy giảm. Vì vậy, các chất hữu cơ thừa và các chất độc hại cần phải loại bỏ. Vi khuẩn có thể hỗ trợ quá trình này. Việc sử dụng thực vật hoặc vi sinh vật như vi khuẩn để loại bỏ chất thải được gọi là bioremediation – xử lý ô nhiễm sinh học.

Sự dư thừa các chất hữu cơ cung cấp các điều kiện tăng trưởng tuyệt vời cho các mầm bệnh cơ hội và tạo tiền đề cho bệnh truyền nhiễm. Các lợi khuẩn như các dòng Bacillus khoáng hóa các chất hữu cơ, do đó giúp cắt giảm gánh nặng này.

Các hợp chất Nitơ như ion Nitrit, Nitrat và Amoni có nguồn gốc từ việc phân hủy dư lượng thức ăn và chất thải của động vật. Khi các hợp chất này vượt quá mức nhất định, chúng trở nên độc hại. Các ion Amoni gây ức chế thần kinh và việc tiếp xúc kéo dài với nồng độ Nitrit tăng cao gây ra ngạt thở chậm, đặc biệt là khi thiếu Oxy. Mặc dù không có tác dụng ở nồng độ thấp, việc tiếp xúc với Nitrat kéo dài có thể gây giảm cân và khiến động vật dễ mắc bệnh truyền nhiễm.

Để tránh các biến chứng như vậy, lợi khuẩn được đưa vào hệ thống nuôi cấy. Những loài này thực hiện quá trình Nitrat hóa và / hoặc khử Nitrat (Hình 1 và 2) và do đó làm giảm nồng độ Amoni, Nitrat và Nitrit trong nước. Nitrat hóa bằng vi khuẩn là quá trình Oxy hóa Amoni thành Nitrat thông qua Hydroxyl amin và Nitrit. Quá trình khử Nitrat là khử Nitrat thành Nitơ Oxit và cuối cùng thành khí Nitơ, trở lại khí quyển. Nitrit là trung gian trong cả hai quá trình. Để loại bỏ hiệu quả cả ba hợp chất, một hỗn hợp vi khuẩn có khả năng nitrat hóa và / hoặc khử nitrat là lợi thế

Hình 1: Nitrat hóa và khử nitrat bằng vi khuẩn.

Hình 2: Xử lý hợp chất nitơ bằng phương pháp trong ống nghiệm. Trong phòng thí nghiệm, các tế bào được nuôi cấy ở điều kiện yếm khí trong hai ngày với sự hiện diện của nồng độ Amoni, Nitrat hoặc Nitrit cao.

Các hợp chất lưu huỳnh như Hiđro Sunfua là một vấn đề khác. Hiđro Sunfua được sinh ra trong quá trình phân hủy kỵ khí các chất hữu cơ ở đáy ao. Hiđro Sunfua can thiệp vào quá trình hô hấp hiếu khí, dẫn đến tình trạng động vật bị nghẹt thở. Bùn đen chính là dâu hiệu để nhận biết sự hiện diện của Hiđro Sunfua, bởi khi Hiđro Sunfua và sắt phản ứng tạo thành sắt sunfua có màu đen.

Một số loài vi khuẩn tiêu thụ Hiđro Sunfua, đặc biệt là các chủng Thiobacillus Paracoccus. Chẳng hạn, Thiobacillus có thể đồng thời loại bỏ Nitrat và Hiđro Sunfua trong phản ứng khử Nitơ – Sunfat hóa, chuyển đổi các hợp chất thành ion Sunfat và khí Nitơ không độc hại.

Lợi khuẩn và mầm bệnh

Đối kháng mầm bệnh là tính năng thiết yếu của lợi khuẩn. Nhìn chung, sự đối kháng đạt được thông qua cạnh tranh loại trừ, bao gồm một số cơ chế: sinh ra chất kháng khuẩn như Bacteriocins, sản xuất các axit hữu cơ làm giảm pH trong đường tiêu hóa của động vật, nhờ đó ngăn chặn sự phát triển của mầm bệnh, cạnh tranh chỗ ở và các chất dinh dưỡng.

Gần đây, xuất hiện một phương pháp mới đối kháng với mầm bệnh: Phá vỡ Quorum Sensing – một cơ chế giao tiếp giữa các tế bào vi khuẩn.

Quorum Sensing (QS) mô tả sự điều hòa các biểu hiện gen theo mật độ vi khuẩn. QS được thực hiện thông qua việc liên tục tạo ra các phân tử tín hiệu nhỏ làm trung gian. Khi quần thể vi khuẩn phát triển, các phân tử tín hiệu tích tụ, khi đạt đến ngưỡng, gây ra những thay đổi trong biểu hiện gen.

Cơ chế này cho phép các quần thể vi khuẩn điều khiển các hoạt động theo nhóm, như hình thành màng sinh học, gây bệnh và sản xuất chất kháng khuẩn và Exoenzyme (Enzyme ngoại bào). Những quá trình này đặt gánh nặng trao đổi chất lên các tế bào và chỉ có giá trị khi tỷ lệ thành công đủ cao. Xét về mặt gây bệnh, chỉ có những yếu tố gây bệnh hiệu quả và kịp thời mới đảm bảo cho việc lây nhiễm thành công.

Các nhà nghiên cứu đã xác định và phân lập các loại phân tử tín hiệu. Các phân tử tín hiệu phổ biến nhất là Homoneine Lactones (AHL) đối với vi khuẩn gram âm và phân tử Peptide nhỏ cho vi khuẩn gram dương. Các điều chỉnh như thay đổi chiều dài của chuỗi bên Carbon của AHL tạo ra đặc trưng của loài. Không phụ thuộc vào phân loại gram, nhiều loài phản ứng, phát hiện hoặc tạo ra phân tử tín hiệu phổ AI-2.

Các chủng vi khuẩn như Vibrios sử dụng các phân tử tín hiệu dành riêng cho một nhóm vi khuẩn có liên quan. Tất cả các phân tử này cung cấp thông tin về môi trường, thành phần loài, sự hiện diện của các đối thủ cạnh tranh về chất dinh dưỡng và tình trạng trao đổi chất của cộng đồng vi khuẩn.

Một hệ thống tín hiệu AHL cơ bản bao gồm một synthase (một loại enzyme xúc tác cho liên kết giữa 2 phân tử) để sản xuất AHL và một yếu tố phiên mã nhận thức để phát hiện AHL (Hình 3). Khi liên kết với AHL, máy dò sẽ kích hoạt / hủy kích hoạt gen mục tiêu. Các hệ thống đa kênh tinh vi hơn đã được phát hiện ở khuẩn Vibrios. Ở đây, các tín hiệu khác nhau được phát hiện bởi các thụ thể nhận thức của chúng trong màng và một tầng điều hòa kích hoạt / hủy kích hoạt gen mục tiêu. Mỗi tín hiệu có một kênh riêng và thông tin từ mỗi kênh được chuyển đổi thành tầng tín hiệu giống nhau.

Hình 3: Cơ chế Quorum Sensing cơ bản ở vi khuẩn gram âm. Các đối tượng áp dụng Quorum queching được dán sao đen.

Quorum quenching – Ức chế giao tiếp ở vi khuẩn

Khi giao tiếp bị phá vỡ, các hoạt động nhóm không thể được phối hợp và những đặc trưng do QS quy định cũng không hoạt động. Trong trường hợp tốt nhất, việc “cắt liên lạc” làm cho vi khuẩn bớt độc tính và dễ bị tổn thương hơn.

Quorum quenching nhắm vào một số bước trong hệ thống QS (Hình 3). Khi việc tổng hợp các phân tử tín hiệu bị ức chế, các tế bào sẽ không thể giao tiếp. Nếu mục tiêu là phát hiện tín hiệu, tính ổn định của thụ thể bị ảnh hưởng hoặc các phân tử tương tự về mặt cấu trúc chặn truy cập vào vị trí gắn kết thụ thể, nhưng không kích hoạt thụ thể. Các phân tử tín hiệu có thể bị phá hủy bởi sự suy giảm enzyme và do đó, các thông điệp không bao giờ đến được các vi khuẩn tiếp nhận

Nhiều chất ức chế trong tự nhiên được sinh ra bởi thực vật, vi khuẩn và tảo. Chẳng hạn, tỏi có chứa các hợp chất ngăn chặn dòng thông tin và tảo đỏ Delisea pulchra tạo ra các halogenated furanones mô phỏng các phân tử tín hiệu và ngăn chặn chúng tiếp cận với thụ thể.

Vi khuẩn đã phát triển các cơ chế để tiêu diệt và làm suy giảm AHL. Một số loài Bacillus sản xuất enzyme thủy phân vòng lacton của AHL. Các loài khác, như Ralstonia hoặc Variovorax, tạo ra các enzyme nhắm vào các liên kết amide của AHL. Vi khuẩn có lợi không chỉ đánh vào sự phát triển của mầm bệnh, mà sở hữu các enzyme này có thể kiểm soát mầm bệnh theo hai cách. Tăng trưởng bị ức chế trực tiếp bởi việc sản xuất các chất kháng khuẩn. Sự liên lạc giữa các tế bào mầm bệnh cũng bị phá vỡ để làm giảm số lượng của chúng.

Các hệ thống Quenching

Trong vài thập kỷ qua, các nhà nghiên cứu đã phát triển rất nhiều chủng chỉ thị với các đặc điểm như phát sáng, phát huỳnh quang hoặc sản xuất sắc tố khi có mặt các phân tử tín hiệu QS. Những chủng chỉ thị này được sử dụng để phát hiện nhưng cũng để kiểm tra việc cắt liên lạc giữa các vi khuẩn. Do lợi khuẩn sản sinh ra các chất kháng khuẩn, điều quan trọng là phải xác định cẩn thận liệu tác dụng của việc “cắt liên lạc” có hiêụ quả dựa trên việc thiếu giao tiếp của vi khuẩn hay do các chất kháng khuẩn. (Hình 4)

Hình 4: Ví dụ Quorum quenching. Ức chế tăng trưởng theo mặc định dẫn đến hoạt động ít liên quan đến QS (phát sáng).

Nguồn : aquacultureallianc

Dịch: BIOTEK TEAM