评估Bacillus velezensis PPB05在养殖业中对抗金黄色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）的益生菌潜力

《Aquaculture》：Evaluating the probiotic potential of Bacillus velezensis PPB05 in combating Staphylococcus aureus in aquaculture

本研究系统探究了芽孢杆菌Bacillus velezensis PPB05作为益生菌对鲻鱼肠道健康及金黄色葡萄球菌（S. aureus）感染的防控效果。结果表明，PPB05通过分泌耐热、耐pH及抗蛋白酶的非蛋白类抗菌物质抑制S. aureus生长，破坏其生物膜形成，并降低感染后鲻鱼肠道 colonization及屏障损伤，同时提升宿主抗氧化能力，促进生长性能和存活率。该研究为水产养殖中基于益生菌的环境友好型病原防控策略提供了理论依据。

　　

高超|杨文清|段玉阳|陈淼淼|牛文芳|李毅

河南师范大学生命科学学院，新乡453007，中国

摘要

金黄色葡萄球菌是一种高风险的细菌病原体，通过水产养殖链对人类健康构成重大威胁。然而，利用益生菌预防和控制水生动物中金黄色葡萄球菌感染的机制尚未得到充分研究，需要进一步探讨。在这里，我们系统地研究了Bacillus velezensis PPB05的抗金黄色葡萄球菌作用及其作为鱼饲料添加剂的潜在益处。我们的研究发现，PPB05菌株通过分泌耐热、耐pH值和耐蛋白酶的非蛋白质类抗菌物质表现出对金黄色葡萄球菌的抑制作用。此外，PPB05菌株还能破坏金黄色葡萄球菌的生物膜形成，并在清除成熟生物膜方面显示出潜力。在泥鳅模型中，PPB05菌株减少了金黄色葡萄球菌在肠道中的定植，表现出保护肠道屏障、改善肠道通透性和增强抗氧化能力的潜力。添加PPB05菌株的饲料可以促进泥鳅在金黄色葡萄球菌感染后的生长表现和存活率。这些发现为探索一种环保且有效的水生动物金黄色葡萄球菌感染控制策略提供了依据。

引言

水产品是全球食品生产体系的支柱，是增长最快、最具前景和最具活力的行业之一。它们为全球粮食安全和稳定提供了重要的蛋白质来源。到2020年，全球水产养殖产量达到了创纪录的1.226亿吨，并预计到2030年将再增长14%（Roberts等人，2024年）。然而，水产养殖业的快速发展伴随着诸多挑战，如病原体的频繁爆发（Stentiford等人，2012年；Mallik等人，2020年）、抗生素过度使用导致的抗菌素耐药性加剧（Reverter等人，2020年），以及水产品易受腐败和病原体污染，从而引发各种食源性疾病。病原体对水产养殖领域构成了长期风险，而这些风险因水产养殖生产的集约化以及贸易和供应链的整合而进一步加剧。据估计，细菌病原体每年导致水产品损失约6亿美元（DeWeerdt，2020年）。因此，水产养殖中广泛使用预防性和治疗性抗生素形成了抗生素使用和耐药菌传播的恶性循环，进一步加剧了水产品因病原体造成的损失（Chen等人，2015年）。

微生物感染对渔业和畜牧业的生产及可持续性以及人类健康构成了重大威胁（Shahi和Mallik，2020年）。其中，金黄色葡萄球菌是一种致病细菌，对水产养殖和水生动物构成重大威胁（Chen等人，2025年）。这种病原体能够引发多种水生物种的严重疾病，导致高发病率和死亡率。受感染的水生动物通常表现出皮肤溃疡、全身性败血症和多器官损伤等症状，不仅给水产养殖业带来巨大经济损失，还破坏了水生环境的生态平衡（Zhan等人，2023年；Howden等人，2023年）。同时，金黄色葡萄球菌是一种主要的食源性机会性病原体，可以定植并感染人类和动物，经常导致严重的血液和组织感染，有时甚至引发致命疾病。它已成为一个严重的公共卫生问题（Patel等人，2023年）。金黄色葡萄球菌还可以污染多种食品，包括水产品（Hennekinne等人，2012年）。因此，金黄色葡萄球菌可以通过水产养殖生产链轻易进入人类食物链（Hammad等人，2012年），对人类健康构成重大风险（Vázquez-Sánchez等人，2012年；Costa等人，2014年；Rong等人，2017年）。

益生菌可以维持宿主肠道微生物群的平衡，增强免疫功能，并帮助消化和吸收营养（Guo等人，2024年），这是一种高效且低成本的环保措施（Negi和Chen，2026年）。因此，开发基于益生菌的生态控制策略已成为应对抗生素带来的挑战和解决水生病原体持续威胁的关键方法（Soltani等人，2019年）。益生菌已被广泛研究，因其能够促进多种水生物种的生长、控制疾病并减轻水产品中的病原菌污染。益生菌的存在和代谢活动通过刺激酶活性来增强营养吸收，从而积极影响水生生物的生长和肉质（Mohammed等人，2021年）。许多研究表明，膳食益生菌补充剂可以通过影响器官成熟、营养代谢和免疫过程来改善宿主健康（Sánchez等人，2016年）以及鱼片的品质（Cao等人，2019a）。Bacillus属具有典型的益生菌特性，包括形成内孢子的能力以及产生广谱抗菌活性的次级代谢产物。其中，Bacillus velezensis是最常用的物种之一，能够产生多种生物活性次级代谢产物，如difficidin、surfactin和bacillomycin（Rabbee和Baek，2020年），使其在农业、水产养殖、食品加工和医学领域得到应用（Keshmirshekan等人，2024年）。Seabkongseng等人（2025年）证明，在饲料中添加B. velezensis S141可以增强虾的生长表现、病原体耐受性和免疫系统。同样，Arya等人（2025年）报告称，B. velenzensis STPB10由于其对环境压力的抵抗力、对病原菌的拮抗作用和无致病性而具有益生菌潜力，使其成为水产养殖应用的有希望的候选菌株。此外，Cao等人（2019b）从鱼塘中分离出B. velezensis BvL03，该菌株对水产养殖病原体Aeromonas具有强烈的抗菌活性，并显著降低了感染A. hydrophila的草鱼的死亡率。Gao等人（2017年）进一步揭示了B. velezensis V4上清液中的抗菌化合物的分子结构，鉴定出它们属于iturin、macrolactin和difficidin类。将这些化合物添加到虹鳟鱼饲料中不仅可以降低A. salmonicida感染引起的死亡率，还能提高生长率。有趣的是，还有研究表明，添加B. velezensis可以缓解草鱼因纳米塑料引起的肠道损伤（Li等人，2025年）。此外，众多研究记录了B. velezensis对多种水生动物（包括斑马鱼、海鲈鱼和鲫鱼）的益生菌作用（Yao等人，2025年；Monzón-Atienza等人，2021年；Zhang等人，2019年）。因此，大量的先前研究详细描述了B. velezensis的多方面益生菌机制，包括促进生长、增强免疫力、拮抗病原体和抵抗压力，为其在水产养殖中的实际应用奠定了坚实基础。

本研究旨在探讨益生菌抑制病原体的机制，特别是B. velezensis PPB05分泌的抗菌物质对金黄色葡萄球菌生长和生物膜形成的影响。此外，还使用B. velezensis PPB05作为饲料添加剂，研究其对宿主肠道屏障功能的影响以及对生长表现和存活率的影响。从多个角度初步探讨了B. velezensis对泥鳅的益生菌作用，为益生菌在水产养殖中的应用和改善水生动物健康提供了理论支持。

部分摘要

分离、鉴定及分离细菌菌株的抗金黄色葡萄球菌作用

从植物根部附近表层（1-5厘米）采集土壤样本（1克），将其悬浮在10毫升无菌生理盐水中。剧烈摇匀以获得土壤悬浮液，然后进行系列稀释并在80°C下加热5分钟，之后将其接种在含有1.5%脱脂牛奶的LB固体培养基上。培养板在37°C下培养48小时。通过多次（4-5次）划线在LB固体培养基上纯化单菌落。纯培养物储存在-80°C的甘油中。

鉴定具有抗金黄色葡萄球菌活性的PPB05菌株

在LB固体培养基上生长24小时后，观察到PPB05菌株的菌落为白色、圆形，边缘不规则锯齿状且不透明（图S1A）。革兰氏染色后的显微镜检查显示该菌株为紫色杆状，鉴定为革兰氏阳性细菌（图S1B）。扫描电子显微镜显示细胞形态为杆状，长度约为1-2微米，宽度约为0.5微米（图S1C）。基于16S rRNA基因

讨论

金黄色葡萄球菌感染对全球公共卫生构成重大威胁。益生菌已成为对抗食源性病原体的有希望的策略。在本研究中，我们从环境样本中分离出了B. velezensis PPB05，证明了其对金黄色葡萄球菌的强拮抗作用，并系统研究了其对生物膜形成和宿主相关益生菌益处的影响。

我们的研究深入探讨了B. velezensis与金黄色葡萄球菌生物膜之间的具体相互作用，提供了

结论

本研究系统阐明了PPB05菌株作为新型益生菌候选菌株在预防和控制水生病原体方面的多方面潜力。结果表明，PPB05菌株的无细胞培养可以通过稳定的非蛋白质类抗菌物质显著抑制金黄色葡萄球菌的生长，同时破坏其生物膜结构，减少细胞外多糖含量。此外，作为饲料添加剂的PPB05菌株可以有效减少

作者贡献声明

高超：撰写——原始草稿、方法学、研究、数据分析、数据管理。杨文清：方法学、数据分析、数据管理。段玉阳：方法学、研究、数据管理。陈淼淼：撰写——原始草稿、方法学、研究。牛文芳：研究、数据分析。李毅：撰写——审稿与编辑、监督、资金获取、数据分析。

伦理声明

本研究中采用的动物护理和处理方案已获得机构动物护理和使用委员会（2024BS-1014）的批准。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了河南省教育厅重点科学研究计划（25A180001）和本科生创新培训计划（S202510476067）的支持。我们还要感谢Figdraw 2.0（www.figdraw.com）在图形摘要制作方面的协助。