根据联合国粮食及农业组织（FAO）的估计，水产养殖是世界上增长迅速的粮食生产部门之一。统计数据显示，2018年世界水生生物总产量达到创纪录的 2.109亿吨，水产养殖占该总量的54.3%（图1）。

图1：2018年全球渔获量和水产养殖百分比。

一、细菌疾病，依旧是水产养殖很大的威胁！

水产养殖产量的快速增长引发了对水生动物健康质量和安全的担忧。与其他畜牧生产部门一样，水产养殖也采用集约化和半集约化做法，导致小水域中的动物密度更高，并显着增加患传染病的风险。鱼类和甲壳类动物的细菌性疾病，不仅会给养殖户造成巨大的经济损失，甚至会导致鱼虾的大量的死亡。

水产养殖中，经常遇到并导致死亡的细菌性疾病，主要由革兰氏阴性菌引起，例如：沙门氏沙门氏菌、塔达爱德华菌、嗜酸黄杆菌、荧光假单胞菌和各种弧菌。很少有疾病是由革兰氏阳性菌引起的。大多数导致水产养殖问题的细菌病原体自然存在于水生环境中，在外部压力因素（包括：运输、养殖密度高、水质差和营养不足）的影响之下，水生动物更加易患疾病。

由于统计信息不完整，很难估计水生动物中使用抗生素的实际数量，随着世界卫生组织宣布的“后抗生素时代”，人们对使用的抗生素的替代产品越来越感兴趣。环保替代品和抗菌素耐药性的解决方案之一是使用噬菌体。噬菌体的使用并不是一个新概念，其使用结果已在人类医学、兽医学、农业和食品工业中得到证实，但其在水产畜牧业中的使用引起了更多关注。

对2000年至2021年Web of Science All数据库中包含“噬菌体”和“水产养殖”一词的记录数量的分析显示，与水生环境相关噬菌体的科学报告数量迅速增加，这表明对研究该主题的兴趣显着增加（图2）。

图2：Web of Science All数据库中2000-2021年间“噬菌体”和“水产养殖”一词的记录数。

水产养殖中，使用抗生素主要用于防和治目的，在鱼虾摄入的抗生素后，约80%转为粪便未被吸收，或者在吸收后转化尿液和其他分泌物中进入环境。此外，如果鱼虾发病和厌食，饲料中抗生素绝大部分残留在池塘沉积物中，从而改变了沉积物微生物群的组成，从而产生了耐抗生素细菌，这些会导致鱼虾疾病更加难以治愈，也可能会影响消费者的健康。

二、噬菌体，未来能解决细菌疾病的方法

噬菌体是地球数量庞大的微生物，它们几乎无处不在，包括极端环境，以及几乎所有人类和动物有机体的生态位。它们是由Frederick W. Twort于1915年在英格兰和Felix d'Herelle于1917年在巴黎牧场研究所发现的。这些是感染细菌的病毒，它们在大小、形态和基因组组织上千差万别，然而，几乎所有目前分类的噬菌体都被分为三个家族：肌尾噬菌体科（Myoviridae）、长尾病毒科(Siphoviridae)和短尾噬菌体科（Podoviridae）。

三、噬菌体的生命周期

与其他病毒类似，噬菌体必须感染宿主细胞才能繁殖。它们对宿主非常有特异性，通常一种噬菌体只感染一种细菌，甚至感染一个物种内的某些菌株。噬菌体可以将细菌细胞结构的几种成分识别为它们的受体。其中包括外膜蛋白、肽聚糖 (PG)、磷壁酸、寡糖、脂多糖 (LPS)、鞭毛和菌毛。这意味着它们只能感染目标分子的细菌。

噬菌体感染过程是先产生多糖降解酶，也称为多糖解聚酶。这些可以释放到环境中，与噬菌体的尾部或衣壳结合，并用于酶促降解包膜或结构多糖，包括作为细菌生物膜主要成分的胞外多糖。在循环后期阶段，会产生赖氨酸，这些赖氨酸负责细菌的裂解和后代病毒的释放。

1、裂解循环

虽然从技术上讲它们不是活的有机体，但噬菌体肯定是动态实体。在裂解复制周期中，噬菌体附着在敏感的宿主细胞上。然后它将其基因组引入细菌细胞质并使用其核糖体产生蛋白质。细菌资源在衣壳蛋白和病毒基因组中迅速转化，病毒基因组由原始噬菌体的多个拷贝组成。通过在细菌细胞中繁殖，它会破坏细菌。当宿主细胞死亡时，它通常会在赖氨酸的参与下释放出新的噬菌体，然后感染另一个细菌细胞 。这样的噬菌体被称为毒性裂解或裂解循环。

2、溶原循环

在溶原性复制周期中，噬菌体还附着在易感细菌细胞上，并将其基因组引入细菌细胞质。然后将噬菌体基因组整合到细菌细胞的染色体中。在这两种情况下，它都会被复制并转移到后代细菌细胞中，而不会裂解它们 整合的噬菌体基因组称为前噬菌体，原噬菌体可以返回到导致宿主裂解的裂解复制周期，常见的是响应不断变化的环境条件。

3、假溶原循环

在假溶源过程中，噬菌体进入细胞，但不在细胞内复制，也不能与宿主基因组稳定整合。似乎假溶源性在细菌病毒的存活中起着重要作用，当宿主细胞遇到不利的生长条件（例如缺乏足够的营养物质）时，能够保存其基因组。在改变引起它的条件后，噬菌体通常会进入裂解或溶原途径

4、慢性感染

在慢性感染的情况下，新的噬菌体颗粒会在很长一段时间内不断产生。然而，不会发生宿主细胞的裂解。病毒粒子通过蛋白质复合物释放或输出到细胞外。它与高能量消耗有关，并可能对细菌竞争生态位的能力产生负面影响。能够引起慢性感染的噬菌体的例子有一些古细菌病毒、丝状噬菌体（ssDNA噬菌体）和感染支原体的病毒。

5、流产感染

面对频繁接触噬菌体，细菌已经发展出许多抵抗感染的机制，包括流产感染，也称为噬菌体排除。噬菌体基因组进入宿主细胞，但受感染的细胞在噬菌体完成其复制周期之前自我毁灭。这减少了后代颗粒的数量并限制了它们向其他细胞的传播，从而使细菌种群得以存活。流产性感染表现在多种细菌防御系统中。一个例子是乳球菌。在未感染的细菌中，系统两个组件的作用是平衡的。病毒感染后，由于毒素-抗毒素比例增加，从而发生细菌死亡。

四、噬菌体疗法

对于靶向渗透，优选严格溶解的噬菌体，其特点是快速增殖导致细菌细胞溶解，同时它们的数量呈指数增长。避免溶源性噬菌体是因为它们具有介导细菌之间基因转移的固有能力，这可以增加细菌的毒力。目前，测序技术和合成生物学的进步也为使用这些噬菌体作用于细菌感染创造了新的可能性。除了裂解细菌细胞的能力外，几个重要特征决定了噬菌体的抗菌作用。

首先是噬菌体产生时间，包括粘附、潜伏期和后代病毒颗粒的释放。

第二个方面是噬菌体种群的生长速度，即一个生命周期内形成的噬菌体颗粒的数量。对特定细菌的高吸附率、大爆发率和短生成时间是强抗菌作用的决定因素。

1、管理噬菌体的方法

噬菌体应用取决于它们到达宿主的能力，根据体内感染的位置，以及渗透的概率和维持较高噬菌体传播的能力。

在水产养殖中，经常使用噬菌体方法是在投放在水体当中或口服，例如与饲料一起混合后投喂。

噬菌体的口服给药已被证明可作用于胃肠道感染，还证明了口服给药的噬菌体易吸收到全身循环中，这使得这种给药途径也可用于全身感染。噬菌体的通过由几个因素决定，包括它们的浓度、衣壳蛋白中与肠上皮细胞受体相互作用的特定序列的存在，以及噬菌体与肠道免疫细胞的相互作用。

噬菌体给药的适当方法取决于许多因素，应根据具体情况考虑。对非常小的鱼或甲壳类动物进行注射是不切实际的。同样，在大型池塘中使用高浓度的噬菌体进行浸泡也很困难。浸泡方法将取决于环境、感染性质或噬菌体特性。每种给药方法都有其优点和缺点，方法的选择很大程度上取决于细菌病原体的性质、动物的种类和大小。

有两种形式的作用——主动的和被动的。在积极作用中，噬菌体的给药剂量能够通过多个繁殖周期减少宿主种群。在被动作用中，不需要这样的繁殖来确保有效，因为所施用的噬菌体数量如此之多，以至于整个宿主群体都被裂解，而不需要一个或多个噬菌体繁殖周期。但是被动方法更昂贵，但可以绕过细菌防御机制，例如：流产感染。

已经测试了各种噬菌体作用。其实，单噬细胞疗法是指使用一种类型的噬菌体，针对某种病原体，但是它需要病原体和噬菌体的匹配。

在水产养殖中，实际情况往往要复杂得多。鱼虾类可能同时遭受由多种菌株或细菌种类引起的感染，这些细菌会影响疾病的结果，这给噬菌体作用带来了不小的挑战，使用噬菌体混合物的多噬菌体疗法，与单噬体疗法不同，多噬菌体针对一种细菌物种或许多细菌物种的许多菌株。目前，越来越多地在水产养殖中测试使用含有两种或多种噬菌体的噬菌体混合物。

使用多种噬菌体的好处之一是它们可以更彻底地解决感染，因为它们可以攻击范围广泛的致病细菌菌株，具有更好、更快的作用效果。此外，使用针对同一细菌的不同受体的噬菌体混合物，有助于降低耐药性的发展速度。

2、噬菌体的体内使用

近年来，已经进行了一些体内实验来评估噬菌体对抗水产养殖中细菌感染的潜力。它们的作用在各种动物模型上进行了测试，包括：多种鱼类、甲壳类动物和软体动物，结果也显示出令人鼓舞的结果，并揭示了某些噬菌体，具有明显降低病原体浓度和提高水产养殖动物存活率的能力。

Le等人（2018）的研究显示，在鲶鱼养殖中使用不同数量的噬菌体，鲶鱼获得的存活率提高了68%，这表明确定正确的噬菌体剂量对于作用非常重要。研究还发现给药时间是一个非常重要的因素。当病原体感染之后再采用噬菌体，死亡率通常会显着增加。建议感染之前预防性使用噬菌体。

Jun等人(2018)的研究显示，在水体当中，预防性使用噬菌体使白对虾的存活率提高了75%，在饲料中预防性使用噬菌体，白对虾的存活率提高了50%。

五、结论

各种鱼类、甲壳类和软体动物的生产，使水产养殖业成为许多国家的重要经济因素。尽管在良好的管理实践、非特异性免疫预防和疫苗生产方面取得了进展，但细菌感染仍然是一个严重的问题，通常会导致高死亡率。另一个问题是，越来越多的产品具有多重耐药性。在缺乏对抗细菌病原体的适当策略的情况下，应制定环境友好的疾病控制策略，以降低微生物耐药性发展和传播的风险。根据这个思路，在水产养殖中使用噬菌体疗法很有前景。

与传统抗生素疗法相比，噬菌体疗法具有一些优势。比如：噬菌体分离相对快速、简单且便宜。噬菌体耐药性的发展速度比抗生素耐药性慢约十倍，因为噬菌体可以进化，产生能够重新感染给定细菌菌株的新基因型。尤其是噬菌体在非常恶劣的环境条件下仍然具有传染性，并且继续复制，直到宿主细菌种群密度显着降低。

这些特征表明，与传统疗法不同，噬菌体疗法只需要更少的剂量，效果却比传统疗法更好。