Bài giảng quản lý chất lượng môi trường trong nuôi trồng thủy sản phần 2

QUẢN LÝ CHẤT LƯỢNG MÔI TRƯỜNG TRONG NUÔI TRỒNG THỦY SẢN... Bacteria on mucosal surface 1Host-parasite relationship Host = an organism which harbors parasite microorganisms Parasite = an

QUẢN LÝ CHẤT LƯỢNG MÔI TRƯỜNG

TRONG NUÔI TRỒNG THỦY SẢN

Chương 3:

Khái niệm về vi sinh vật trong nguồn nước

Microbial Interactions with Macroorganisms

Aquatic environment is relatively rich in microorganisms

Up to 10 5 to 10 6 cells / mL Cilliates, other protists, and viruses

Macroorganisms in aquatic environment

Constantly exposed to microorganisms

Fish & Shellfish

Increasingly, more focus on normal

microflora and their interactions

with the host organisms

Microbiology of bivalve mollusks

Microorganisms as foodNatural microfloraFilter feeders and the ecosystem

Hansen and Olafsen, 1999; Maeda, 2002

Microorganisms as food

Filter feeders

(Suspension feeders)

Feed on microorganisms that

they filter out of the

Worms, fiddler crab

Larval forms of animals may require smaller microorganisms

such as bacteria, while an adult may prefer larger

microorganisms such as flagellated protists and algae

Oyster anatomy lab- http://www.mdsg.umd.edu/oysters/anatlab/index.htm

Oyster anatomy

Draw water in over its gills through the beating of ciliaSuspended food (plankton) and particles are trapped in the mucus of the gills

Sort by labial palps and transport

to the mouth, eaten, digested, and feces expelled

Pseudofeces = particles which are not sorted as food and are rejected through the mouth

Oyster filtering mechanism lab- http://www.mdsg.umd.edu/oysters/oysfilt.htm

Natural microflora of mussels and oysters

A majority of isolates are gram-negative (68%) and aerobic

(76%) bacteria

Predominant flora: Vibrio, Pseudomonas, Shewanella,

Aeromonas, Acinetobacter, and Flavobacterium

Gram-positive bacteria: Staphylococcus, Bacillus,

Streptococcus

Predominant Vibrio species includes:

V alginolyticus, V splendidus, and V (Listonella) anguillarum*

Not always reflect external environment

Suggests selective process to sequester and maintain certain species

Kueh and Chan, 1985 ;Hariharan et al., 1995

Filter feeders and the ecosystems

An adult oyster can filter as much as 60 gallon per day

Oysters can filter out sediments and nutrients (nitrogen) and

deposit them on the bottom

“Top-down" grazer control on phytoplankton

Reduce turbidity, increasing the amount of light reaching the sediment

surface

Extending the depth to which ecologically important benthic plants

(seagrasses and benthic microalgae) can grow

Newell, 2004 ;Chesapeake Bay Foundation- http://www.cbf.org/

Newell, 2004

Filter feeders bivalves removing inorganic and organic particles from water column and

transferring undigested particulate material to the sediment in the form of their biodeposits

Microbiology of Fish

Eggs, skin, gills microflora

Intestinal microflora

Bacteria on mucosal surface (1)

Host-parasite relationship

Host = an organism which harbors parasite (microorganisms)

Parasite = an organism that lives on or in a second organism

Surfaces such as eggs, skin, gills, and intestinal tract

Mucus layer as an adhesion site and protective layer

Indigenous vs transient (autochthonous vs allochthonous)

Indigenous = able to grow and multiply on the surface of the host animal Transient = not able to grow or multiply on the surface of the host animal; does not persist for a long period of time

Bacteria on mucosal surface (2)

Loose association Adhesion Invasion

Eggs microflora

Fish embryos secret inorganic and low molecular weight organic

compound, which can diffuse out through the shells

Attract bacteria utilizing these compounds and colonize egg

surface

Normal healthy eggs flora: Cytophaga, Pseudomonas

Dead eggs: fluorescent Pseudomonas

Not the cause of dead, but rather attracting to nutrient leaching

Overgrown of bacteria can hamper eggs development

Cahill, 1990; Hansen and Olafsen, 1999

Leucothrix mucor on cod eggs Flavobacterium ovolyticus on halibut eggs

Skin Microflora

Reflect that of surrounding water

May have from 102 to 104 bacteria/ cm2

Unit of measurement per area

Surface sampled by using a sterile swab

Muscle tissue should be sterile

Gram negative: Pseudomonas, Moraxella, Vibrio, Flavobacterium,

Acinetobacter, Aeromonas

Gram positive: Micrococcus, Bacillus

Cahill, 1990

Gill Microflora

May contain 102 to 106 bacteria/ g

The number is quite low considering its high surface area and being

continual flushed by water

Extensive colonization of certain types of bacteria (Flavobacterium)

Gram negative: Pseudomonas, Flavobacterium, Vibrio,

Moraxella, Cytophaga

Gram positive: Micrococcus, Bacillus (in warmer water)

Cahill, 1990

Intestinal microflora (1)

Established at the larval stage

Developed into a persistent flora at the juvenile stage

Population of microorganisms tends to increase along the length

of the GI tract

Largest number of bacteria in the intestines (up to 108 CFU/g)

Gram negative: Pseudomonas, Vibrio, Achromobacter,

Flavobacterium, Corynebacterium, Aeromonas

Gram positive: Bacillus, Micrococcus

Influenced by stages of life, diets, feeding, water temperature,

habitat

Large number when feeding, very few when not feeding

Organic content of the environment

Vibrio dominates in seawater, Aeromonas dominates in freshwater

Cahill, 1990; Hansen and Olafsen, 1999

Intestinal microflora (2)

Ringo et al., 2003

Microvilli of the epithelial cells of common wolffish (A lupus L.)

SEM of the enterocytes in the

midgut of Artic charr

Bacteria

Aquaculture of marine larval fish

More difficult to raise compared to freshwater

Smaller egg size Smaller size at hatching Longer larval duration Higher mortality rates

Mass mortality often with unknown cause

Adult

Fish Anatomy

Larva

Adult

Development of the intestinal

Marine larvae needs to “drink” to osmoregulate

Influence by eggs, live feed, and rearing water

Once feeding begins, microbiology is derived from live feed

ingested rather than water

As the digestive tract becomes more developed, the intestinal

microbiology becomes more stable and more complex

pH change (lower)

O2 tension (more anaerobic)

Receptors for bacteria

Ringo and Birkbeck, 1999; Birkbeck and Verner-Jeffreys, 2002

Development of the intestinal microflora

(2)

Criteria for testing whether or not microorganism is indigenous to

the intestinal tract of fish:

• Found in healthy individuals

• Colonize early stages and persist throughout life

• Are found in both free-living and hatchery-cultured fish

• Can grow anaerobically

• Are found associated with the epithelial mucosal in the stomach, small intestine or large intestine

Ringo and Birkbeck, 1999

Roles of intestinal microflora

Nutrition

Polyunsaturated fatty acids, amino

acids and vitamins

Extracellular enzymes: chitinase

Preventing infection from fish

pathogens

Competitive attachment

Neutralization of toxins

Bacteriocidal activity

Survival and growth

Bacterial load impact on survival &

digestive organ development

Presence of certain species influence

survival

Stimulation of the immune system

Provide antigens to trigger development

of immune responses in the gut

Ringo and Birkbeck, 1999; Photo by Mark Tagal

Pre-release China rockfish

Disease triangle concept

Pathogenesis

Types of pathogens

Diseases triangle concept

For a disease to develop:

Pathogenesis = the origin and development of a diseasePathogenicity = the ability of a parasite to inflict damage on the host

Entry of the pathogen into the host

Exposure to pathogens Adherence to skin or mucosal surface Invasion through epithelium

Colonization and growth

Localization (boil, ulcer, etc) Systematic infection

Production of virulence factors

Tissue damage via toxins or invasiveness

Found in the environment

Do not cause disease unless the host immune response is suppressed (stress, environmental factor, etc)

Listonella anguillarum

Fish, mollusks, shrimp, crabs Vibriosis

Buller, 2004

Application of bacteria in aquaculture

Biofilters

The use of bacteria to remove

ammonia and nitrite- toxic at high concentration to fish

Nitrosomonas and Nitrobacter sp.

Aerobic process

Microbial matured water

Probiotics

Microbial matured water

Problems with treatment to completely eliminate bacteria such

as antibiotic

Change in the composition of microbial population

Create more resistant strains of bacteria

Types of bacteria more important than numbers

Water that has been treated to select for non-opportunistic

bacteria

Non-opportunists (K-strategists) is competitive at low substrate availability

Filtration with 0.2 µ m membrane to remove most bacteria and particulate

organic nutrients

Selective recolonization of these non-opportunists in biofilters help

controlled microbial community in water

Increase survival, faster growth rate, higher intestinal bacteria

at first feeding

Skjermo and Vadstein, 1999

Probiotic = a live microbial feed supplement which beneficially affects the host by improving its intestinal balance

A broader definition might also include:

Other forms of addition (submerged bath, add to the rearing water)

Beneficial effects such as preventing pathogens from proliferating, improving

nutritional values of feed, enhancing the host responses towards disease,

improving rearing environment

Interactions other than in the intestinal tract (skin, gills)

Can be used for fish (all life stages), crustaceans, bivalve mollusks,

live food (rotifers, Artemia, and algae)

Vibrio sp., Streptococcus lactis, Lactobacillus, Carnobacterium,

Pseudomonas fluorescens, Bacillus sp.

Verschuere et al., 2000

Hmm, yogurt!

“Carnobacterium inhibes sp nov., isolated from the intestine of Atlantic

salmon (Salmo salar)”- Joborn et al., 1999

“Phylogenetic analysis of intestinal microflora indicates a novel Mycoplasma

phylotype in farmed and wild salman”- Holben et al., 2002

“Vibrio tastmaniensis sp nov., isolated from Atlantic salmon (Salmo salar

L.)”- Thompson et al., 2003

Several types of interactions between microorganisms and fish + shellfish

Thank you

Birkbeck, T.H., and D.W Verner-Jeffreys 2002 Development of the intestinal microflora

in early life stages of flatfish, p In C S Lee and P O'Bryen (ed.), Microbial

Approaches to Aquatic Nutrition within Environmentally Sound Aquaculture

Production Systems The World Aquaculture Society, Baton Roughe, Louisiana.

Cahill, M.M 1990 Bacterial flora of fishes: A review Microb Ecol 10:21-41

Fuiman, L.A., and R.G Werner 2002 Fishery science: the unique contributions of early life stages Blackwell Science, Oxford UK; Malden MA.

Hansen, G.H., and J.A Olafsen 1999 Bacterial interactions in early life stages of marine cold water fish Microbial Ecology 38:1-26.

Hariharan, H., J.S Giles, H.S B., G Arsenault, N McNair, and D.J Rainnie 1995

Bacteriological studies on mussels and oysters from six river systems in Prince

Edward island, Canada Journal of Shellfish Research 14:527-532.

Holben, W.E., P.Williams, L.K Sarkilahti, and J.H.A Apajalahti 2002 Phylogenetic

analysis of intestinal microflora indicates a novel Mycoplasma phylotype in farmed

and wild salmon Microbial Ecology 44:175-185

Joborn A., M Dorsch, J.C Olsson, A Westerdahl, and S Kjelleberg 1999 Carnobacteria

inhibens sp nov isolated from the intestine of Atlantic salmon (Salmo salar)

International Journal of Systematic Bacteriology 49:1891-1898

Kueh, C.S.W., and K Chan 1985 Bacteria in bivalve shellfish with special reference to the oyster Journal of Applied Bacteriology 59:41-47.

Newell, R I 2004 Ecosystem influences of natural and cultivated populations of

suspension feeding bivalve molluscs: a review Journal of Shellfish Research 23: 61

51-Ringo, E., G.J Olsen, T.M Mayhew, and R Myklebust 2003 Electron microscopy of the intestinal microflora of fish Aquaculture 227:395-415.

Ringo, E., and T.H Birkbeck 1999 Intestinal microflora of fish larvae and fry Aquaculture Research 30:73-93.

Skjermo, J., and O Vadstein 1999 Techniques for microbial control in the intensive

rearing of marine larvae Aquaculture 177:333-343.

Thompson, F.L., C.C Thompson, and J Swings 2003 Vibrio tasmaniensis sp nov

isolated from Atlantic salmon (Salmo salar L.) Systematic and Applied Microbiology

26: 65-69

Verschuere, L., G Rombaut, P Sorgeloos, and W Verstraete 2000 Probiotic bacteria as biological control agents in aquaculture Microbiology and Molecular Biology Reviews 64:655-671.

• Do vậy, một định nghĩa thích hợp hơn cho vi

sinh vật hữu ích trong nuôi thuỷ sản sẽ là:

“ là hổn hợp bổ sung có bản chất vi sinh vật sống có tác động

có lợi đối với vật chủ nhờ sự cải thiện hệ vi sinh liên kết với vật chủ hoặc sống tự do trong môi trường, nhờ cải thiện việc

sử dụng thức ăn hoặc tăng cường giá trị dinh dưỡng của thức

ăn, nhờ vào sự gia tăng khả năng đề kháng của vật chủ đối với mầm bệnh hoặc nhờ vào sự cải thiện chất lượng của môi

trường sống”

Định nghĩa Probiotic (tt)

Cơ chế tác dụng của CPSH

• Có thể tiết ra trong ruột, trên bề mặt cơ thể hay ra môi

trường nước

H2O2, axit hữu cơ,

ra nên được gọi chung là chất ức chế

1 Tiết ra chất ức chế

2 Cạnh tranh dinh dưỡng

• Nhiều quần thể vi sinh vật cùng tồn tại trong

cùng một hệ sinh thái => cạnh tranh

• Cạnh tranh vi sinh vật chủ yếu là do nhóm dị

dưỡng: cạnh tranh cơ chất hữu cơ

• Nếu nắm được yếu tố ảnh hưởng đến sự cạnh

tranh này ta có thể điều khiển được thành phần

vi sinh trong môi trường

• Rico-Mora (1998), đã đưa một dòng VK được chọn

lọc có khả năng phát triển trên môi trường nghèo hữu cơ

Vibrio alginolyticus : VK Vibrio này không phát triển

át Vibrio trong điều kiện nghèo hữu cơ

2 Cạnh tranh dinh dưỡng

• Tất cả các VSV đều cần chất sắt cho sinh

trưởng

• Hiện tượng siderophores: tiết ra chất kết tủa

các ion sắt có trọng lượng phân tử thấp

• Các VSV này sẽ hấp thu các phân tử Fe kết tủa

này và làm mất Fe trong môi trường

• Các VSV gây bệnh cần nhiều sắt

• VSV cạnh tranh Fe => hạn chế mầm bệnh

trong môi trường

2 Cạnh tranh dinh dưỡng

3 Cạnh tranh chổ cư trú

của ruột động vật thủy sản

lựa chọn đầu tiên của vi khuẩn hữu ích

cạnh tranh tốt hơn các vi khuẩn từ bên ngoài

tranh chổ bám, tiết ra chất ức chế

4 Cải thiện chất lượng nước

• Được cho là một cơ chế tác động của Probiotics thuỷ sản khi

đưa chúng vào nước giúp cải thiện chất lượng nước mà không

có tác động trực tiếp lên cơ thể vật nuôi.

• Thường liên quan đến các nhóm Bacillus

• Nhóm VK gram (+) thường phân huỷ VCHC thành CO2 tốt

hơn nhóm gram (-)

• Duy trì mật độ vi khuẩn Gram (+) trong ao nuôi sẽ hạn chế

được sự tích luỹ VCHC trong ao trong suốt quá trình nuôi

• Ổn định quần thể tảo nhờ sự sản sinh CO2 từ quá trình phân

huỷ

• việc cấy vi khuẩn nitrate hoá có hiệu quả rõ

hơn

• Việc cấy VK Nitrate hoá cho lọc sinh học mới

có thể làm giảm thời gian khởi động lọc xuống 30%

• Việc cung cấp VK Nitrate hoá cho ao nuôi

hoặc bể nuôi có thể được thực hiện khi hàm

lượng amôn tăng đột ngột.

4 Cải thiện chất lượng nước

5 Tác động tương hổ với TSV

• Các nghiên cứu gần đây cho thấy, một số dòng

VK có khả năng tiêu diệt một số loài tảo, đặc biệt là tảo gây ra hồng triều.

• Các dòng VK này có thể không tốt đối với

ương ấu trùng bằng nước xanh, nhưng sẽ có

lợi khi tảo phát triển quá mức trong ao nuôi

• Nhiều dòng VK khác có khả năng kích thích

sự phát triển của tảo.