Модулирование рубцовой микробиоты для оптимизации усвоения НДК

Скачать статью в PDF

Полноценность и сбалансированность кормления является определяющим фактором для здоровья и продуктивности крупного рогатого скота. Но для жвачных животных особенно важна не просто сбалансированность рациона, но и обеспечение оптимального функционирования преджелудков, в которых осуществляется ферментация корма. Микрофлора, населяющая преджелудки жвачных, представлена многочисленными анаэробными микроорганизмами, преимущественно: бактериями, простейшими и одноклеточными – инфузориями и археями. В этом многообразии преобладают бактерии, которых насчитывается около 900 видов. Общее количество микробной биомассы составляет до 10% от содержимого рубца. Содержимое рубца можно условно разделить на три фракции, в заселенных микроорганизмами: жидкая фракция, составляющая 25 % от микробной массы, твёрдая фракция, составляющая 70 % от микробной массы и эпителиальные клетки с простейшими, составляющими около 5 % микробной массы. Микробиота твёрдой фазы, прикреплённая к растительному материалу, ферментирует клетчатку, жидкая фаза содержит бактерии, участвующие в усвоении растворимых питательных веществ. Микрофлора эпителиальной фракции выполняет различные функции, такие как поглощение кислорода, гидролиз мочевины.

Самой важной функцией микрофлоры рубца является переваривание клетчатки. Сами животные не могут вырабатывать ферменты, гидролизующие клетчатку. Многокамерный желудок можно сравнить с ферментером на микробиологическом заводе, в котором микробы частично расщепляют поступающее сырье, а также синтезируют большое количество ценных для животного биологически активных веществ: витаминов, ферментов и летучих жирных кислот (ЛЖК), которые используются организмом в качестве источника энергии.

Другой уникальной особенностью микробиоты рубца является способность синтезировать белки своего тела из небелковых азотистых веществ. При этом образуется дополнительный микробиальный протеин, обладающий высокой сбалансированностью и полноценностью аминокислотного состава. Существует прямая зависимость биохимических показателей пищеварения (рН, количество ЛЖК, аммиака) от количества микроорганизмов в рубце крупного рогатого скота, а также их видового состава. На состав микробиома рубца влияет структура и питательность рациона, качество кормов и температура окружающей среды (тепловой стресс). Изменения видового состава рубцовой микрофлоры происходят даже и в течение одних суток, в зависимости от того, какие корма поступают в рубец. При смене рациона изменяется соотношение популяций микроорганизмов в рубце, нормализующееся в течение 10–20 дней. В связи этим для жвачных очень важное значение имеет стабильность рациона или как можно более плавный переход от одного рациона к другому.

У здоровых коров микробиальное сообщество рубца должно находиться в определённом равновесии. В период лактации, количество целлюлозолитических бактерий должно составлять не менее 20% в общем объеме микроорганизмов рубца, в период сухостоя – не менее 25%. Простейшие могут достигать 50% от общей микробной массы. Количество нежелательной микрофлоры (лактобактерии, энтеробактерии, актиномицеты) не должно превышать 20 %, а патогенной – не более 5,5 %. Патогенные бактерии, такие как: энтеробактерии, кишечная палочка, клостридии, стрептококки, постоянно поступающие в небольших количествах вместе с кормом, питьевой водой и воздухом, в рубце сосуществуют с нормальной микрофлорой. Однако, при нарушении баланса, возрастает удельная доля патогенной микробиоты. Для оптимального соотношения между микроорганизмами рубца необходимо соблюдение ряда условий – рН рубца 6,2–6,9, температура 39–400, определённое количество доступных питательных веществ для всех групп микроорганизмов, возможность перемешивания содержимого рубца.

Уровень рН рубца зависит от состава рациона и подвержен значительным колебаниям. Повышение кислотности рубца, известное под названием ацидоз, напрямую влияет на общее состояние микробиома: подавляется рост, снижается ферментативная активность полезных микробов, что даёт преимущество в размножении условно-патогенным и патогенным видам микрофлоры, использующим в своём питании легкорастворимые углеводы. При этом ацидоз – лишь внешнее незначительное проявление депрессии полезной микробиоты. К снижению pH рубца очень чувствительны бактерии ферментирующие клетчатку – целлюлозолитики лахноспиры и руминококки, уже при pH ниже 6,2 полностью подавляется их развитие. Поэтому, даже временное снижение pH в рубце может уменьшить переваримость клетчатки и потребление сухого вещества. Амилолитические бактерии, ферментирующие крахмал, представленные в основном стрептококками и лактобактериями, преобразующие простые сахара в молочную кислоту, практически не чувствительны к снижению рН. При концентратном типе кормления их популяции растут, продуцируя большое количество молочной кислоты, снижающей рН рубца. При оптимальных условиях в рубце, молочная кислота при помощи бактерий лактат-утилизаторов Veillonellaceae практически полностью превращается в пропионовую кислоту, являющуюся предшественником глюкозы. Но их доля в микробиоме невелика, и они очень чувствительны к уровню рН рубца. Поэтому, при силосно-концентратном типе кормления и недостатке в рационе эффективной клетчатки, количество лактат-утилизирующей микрофлоры снижается, а в рубце образуется избыток молочной кислоты, что и провоцирует ацидоз. Патогенная микрофлора конкурирует с полезной микрофлорой за питательные вещества и пространство в пищеварительном тракте животных Проникая через повреждённую кислотой слизистую оболочку рубца, ассоциации патогенных микроорганизмов начинают разрушительную работу в организме коровы, вызывая ряд заболеваний: маститы и повышение соматических клеток в молоке (Escherichia coli, Staphylococcus aureus, Streptococcus agalactiae, Corynebacterium bovis и Mycoplasma spp.), послеродовые эндометриты (бактероиды, фузобактерии, и актиномицеты), некробактериоз (F. necrophorum), энтериты (энтеробактерии). Зарубежные исследователи выяснили, что не только сама микрофлора, но и ее метаболиты, а также компоненты клеточных стенок участвуют в развитии заболеваний. Так, липополисахариды клеточных стенок грамотрицательных бактерий способны повреждать эпителий рубца. Попадая в кровь, они проникают в различные органы и ткани, где вызывают их воспаление. Таким образом, избыток легкопереваримых углеводов и сахаров провоцирует лактатный ацидоз, со всеми сопутствующими метаболическими расстройствами.

Другое проявление дисбаланса микробиома рубца может развиться на фоне избыточного поступления с кормами легкорасщепляемого в рубце протеина. Такое нарушение может быть вызвано использованием избыточного количества мочевины, при недостатке легкодоступной энергии, поеданием большого количества зелёных злаково-бобовых трав и других кормов, богатых белками, а также при скармливании испорченных кормов. При этом в рубце образуется избыток аммиака, рН рубца смещается в щелочную сторону >7,0. Такое явление именуется алкалозом рубца и сопровождается подавлением жизнедеятельности инфузорий и другой полезной микрофлоры. Соотношение ЛЖК изменяется в сторону увеличения концентрации масляной кислоты и уменьшения пропионовой и уксусной. Болезнь начинает проявляться при достижении концентрации аммиака в рубцовом содержимом 25 мг% и выше. В этом случае аммиак не успевает использоваться микрофлорой рубца для синтеза микробиального белка, и в большом количестве поступает в кровь, оказывает токсическое действие на нервную систему, эндокринные, паренхиматозные и другие органы. Печень не успевает превращать аммиак в мочевину, в ней развиваются жировая инфильтрация и дистрофия. При достижении рН рубцового содержимого уровня 7,2 и выше, снижается двигательная функция рубца, а при рН 8,2 и выше движения рубца полностью прекращаются. Нарушается синтез протеина в печени и липидный обмен. Содержание общего белка сыворотки крови повышается до 113 г/л, наступает диспротеинемия: снижается процент альбуминов и повышается процент глобулинов. Резервная щелочность крови повышается до 64 об% СО2 и выше, рН мочи выше 8,4. На фоне алкалоза в рубце активно размножаются патогенные протеолитические формы рода Clostridium– возбудители опасных раневых и пищевых инфекций и родственные им пептококки – возбудители гнойно-некротических процессов, оптимальный диапазон рН для жизнедеятельности которых находится в пределах от 7 до 7,5. Это обусловлено ещё и тем, что именно эти патогенные формы микроорганизмов активно развиваются в неправильно заготовленных кормах и поступают в организм животных в большом количестве (маркерами являются высокие показатели NH3 фракции, повышенная зольность, наличие масляной кислоты в кормах). Таким образом, ферментация в рубце, обусловленная типом углеводов, уровнем и качеством белка, потребляемого молочным скотом, напрямую влияет на изменения в микробной экосистеме рубца. Кроме нарушения основных норм питания, дисбалансу рубцового сообщества способствуют различные стрессы, применение антибиотиков, резкие смены рациона, скармливание животным испорченных кормов, поражённых микотоксинами и патогенами, дефицит макро– и микроэлементов.

Профилактика и своевременное устранение нарушений в соотношении популяций рубцового микробиома позволяют значительно сократить производственные потери и включают ряд мер:

• минимизация технологических, климатических, кормовых и прочих стрессов;
• соблюдение научно-обоснованных норм кормления;
• повышение иммунного статуса животных за счёт полноценного витаминного и микроэлементного питания;
• соблюдение технологии заготовки основных кормов;
• снижение доли концентратов в рационе;
• разрыв циркуляции патогенов на ферме;
• контроль над использованием антибиотиков;
• применение качественных буферов, позволяющих поддерживать рН рубца на постоянном уровне в пределах физиологической нормы (6,2–6,9).

Несмотря на кажущуюся очевидность проблемы, устранить её не так просто. Обилие всевозможных стрессов в промышленном животноводстве, желание достичь максимального уровня продуктивности животных за счёт необоснованного увеличения доли концентрированных кормов в рационе, приводит к ряду метаболических расстройств у животных и их преждевременному выбытию из стада.

Возможности повышения продуктивности животных, без вреда для их здоровья, могут быть реализованы за счет использования кормовых добавок, влияющих на биоценоз в рубце, повышающих усвоение питательных веществ, ингибирующих патогенную микрофлору и стимулирующих развитие полезной микрофлоры в рубце. Зачастую используются ионофоры, пробиотики и пребиотики, экстракты эфирных масел, дрожжи – все они обладают различным механизмом действия и различной эффективностью.

В кормлении крупного рогатого скота часто применяется ионофорный антибиотик и кокцидиостатик – монензин. Он активирует синтез пропионовой кислоты в рубце и снижает образования метана и аммиака. Но, есть целый ряд нюансов в применении этого продукта. Необходимо обеспечить гарантированно высокое качество его смешивания с кормом, при неравномерном смешивании возможно превышение дозировки у отдельных животных, что приводит к рискам для их здоровья. У коров при дозе свыше 200 мг/гол в день происходит снижение потребления корма (Деннис Дж. Минсон,1990). А при ещё более высоких дозах – снижение уровня жира в молоке и угнетение воспроизводительных функций. Монензин имеет ограничения по срокам использования перед убоем. Запрещён в ЕС с 2006 года.

Эфирные масла и экстракты относительно недавно начали применяться в кормлении крупного рогатого скота. Их эффективность определяется, прежде всего, содержанием терпенов и терпеноидов, а также их соотношением. Антимикробное действие эфирных масел приводит к изменению процессов ферментации в рубце, в связи с тем, что они ингибируют грамположительные бактерии. При этом положительное влияние эфирных масел на функционирование рубца требует тщательного изучения конкретной ситуации, грамотного подбора состава и дозировки экстрактов. Поэтому применение экстрактов эфирных масел, в принципе, оправдано для профилактики бактериальных инфекций телят молочного периода.

Пробиотики обычно применяются для профилактики дисбактериозов у моногастричных животных. У крупного рогатого скота они эффективны только у молодняка в молочный период. У взрослых животных применение пробиотиков малоэффективно. Существуют данные, указывающие на положительное влияние пробиотиков содержащих в своем составе бактерии лактат-утилизаторы.

Живые культуры дрожжей сбраживают простые углеводы, конкурируя с молочнокислыми и патогенными бактериями в рубце. При стандартном автолизе дрожжей из содержимого клеток получают такие функциональные компоненты, как бета-глюканы и маннановые олигосахариды клеточной стенки, рибонуклеиновую кислоту (РНК), нуклеотиды, аминокислоты и пептиды. Эти биоактивные компоненты служат источником питания для полезных анаэробных микроорганизмов рубца, помогая тем самым предотвратить снижение рН рубца, и риск субклинического ацидоза. Недостаток этого подхода в том, что при сильно выраженном ацидозе активность дрожжей в рубце также может быть ограничена низким рН. При алкалозе дрожжи также будут малоэффективны, вследствие недостатка питательных веществ – растворимых углеводов.

Таким образом, подбор кормовых добавок, призванных улучшить показатели здоровья и продуктивности у животных, должен осуществляться осознанно, с учётом показателей питательности рациона и имеющихся рисков для микрофлоры рубца. Все это заставляет задуматься о поиске альтернативных, более универсальных и эффективных продуктов.

Особенно перспективны продукты на основе моноглицеридов коротко- и среднецепочечных жирных кислот. Моноглицериды обладают избирательным антибактериальным действием в отношении патогенных бактерий на протяжении всего желудочно-кишечного тракта и проявляют мощную ингибирующую активность в отношении широкого спектра патогенов, включая грамположительные и грамотрицательные бактерии, вирусы, простейшие.

Моноглицериды короткоцепочечных жирных кислот (КЦЖК) хорошо проникают через клеточные стенки грамотрицательных бактерий, подавляют их рост и развитие, быстро всасываются в кровь и являются источником энергии для клеток слизистой рубца и кишечника, стимулируют рост и обновление её клеток, усиливают кровоток в слизистой, образование слизи, всасывание воды и солей, регулируют кислотно-щелочной баланс. Оказывают противовоспалительное воздействие на органы и ткани, защищают организм от патогенов и токсинов, стимулируя развитие нормальной микрофлоры, активируют фагоцитоз. Моноглицериды среднецепочечных жирных кислот (СЦЖК) обладают выраженным бактерицидным действием, как на грамположительные микроорганизмы (Clostridium spp., Listeria spp., Staphylococcus spp.), так и на грамотрицательные бактерии (E.coli, Salmonella spp.). Они также способны инактивировать ряд вирусов и простейших. Моноглицериды СЦЖК проявляют иммуномодулирующую и противовоспалительную активность.

В 2015 году итальянской компанией SILO International, была разработана линейка продуктов для крупного рогатого скота, представляющая собой синергетические комбинации 1-моноглицеридов жирных кислот КЦЖК и СЦЖК. Препараты появились благодаря совместным усилиям ученых нескольких европейских и американских университетов.

Принципиально новым продуктом из этой линейки стал FIBER DIGEST.

Основной эффект от его применения заключается в оптимизации функционирования рубца и улучшении усвоения НДК.

Механизм действия заключается в модулировании микробного сообщества рубца, увеличении количества целлюлозолитических бактерий и простейших и избирательном подавлении патогенной микрофлоры. Кроме того, моноглицериды обладают ярко выраженным эмульгирующим эффектом, улучшая доступ микрофлоры к волокнам клетчатки и, таким образом, дополнительно повышая ее усвояемость. Значительное количество продукта проходит транзитом через рубец и контролирует патогенные бактерии в кишечнике, стимулирует развитие кишечного эпителия и, таким образом, улучшает всасывание питательных веществ.

В испытаниях на искусственном рубце были получены следующие данные о влиянии FIBER DIGEST на переваримость НДК (см. таблицу).

Кроме того, проводились исследования направленные на определение влияния FIBER DIGEST на количество и активность простейших в рубцовом содержимом.

Все это приводит к лучшей переваримости самого важного энергетического субстрата в рационе КРС – НДК, увеличении количества микробиального протеина, и, как следствие, повышению молочной продуктивности у дойных коров, а также к улучшению, привесов качества и мраморности мяса у животных на откорме. Существуют также данные показывающие на возможность увеличения концентрации крахмала в рационе на 5-10% при использовании данного продукта без риска развития субклинического ацидоза.

На основании вышесказанного модно сделать следующие выводы, что большинство метаболических расстройств, а также ряд заболеваний инфекционного генеза у крупного рогатого скота связаны с избыточной концентратной нагрузкой на рационы, использованием кормов плохого качества с низкой питательностью, наличием патогенов и микотоксинов, нарушением норм кормления, провоцирующих дисбаланс микрофлоры рубца и активизацию нежелательной микрофлоры. Грамотный подход к кормлению и применение натуральных и безопасных модуляторов роста микрофлоры рубца и кишечника позволит повысить молочную продуктивность животных, сохранив их здоровье и продуктивное долголетие.

Литература:

1. «Основные представители микробиома рубца (обзор)», М.С. Мирошникова, научная статья «Животноводство и кормопроизводство», 2020.
2. «Изменения в микробиоте рубца из-за типа углеводов и уровня белка, потребляемых молочным скотом, связаны с изменениями в ферментации рубца». А. Беланш, М. Доро, Д. Эдвардс, Д. Мурби, Э. Пинлош, К.Ньюболд, Институт биологических, экологических и сельских наук, Аберистуитский университет, Аберистуит, Великобритания, 2012.
3. . «Изучение микрофлоры крупного рогатого скота», И.Р. Хамидуллин, А.К. Галиуллин, В.Ф. Тамимдаров, Т.М.Закиров, И.М. Хисамиев, научная статья «Ветеринарные науки», 2015.
4. «Нормы содержания микрофлоры в рубце крупного рогатого скота», ООО «Биотроф», методические рекомендации, Санкт-Петербург, 2016.
5. «Микробиом рубца – основа здоровья коров», Г. Лаптев Е. Йылдырым Л. Ильина. Научная статья в журнале «Жи- вотноводство России», № 4–2020.
6. Clostridium. Получено с: microbewiki.com.
7. Получено с: catalog.hardydiagnostics.com.
8. «1-Моноглицериды -эффективная замена антибиотикам», М. Парини, научная статья «Корма и ветеринария» № 6–2020.
9. «Антимикробные свойства липидов», В.Г. Рыбин, Ю.Г. Блинов, 2001.
10. Презентация FIBER DIGEST компании SILO International (Италия).
11. Дж. Дюбук, Д. Дю Трамбле, Дж. Барил, Р. Бэгг, М. Бродер, Т. Даффилд и Л. Декото. 2010. Полевое исследование влияния диетического монензина на молочную продуктивность и состав молока у молочных коров. Can. Vet. J. 51:375-379.
12. Л. Гуринович, Эфирные масла. Химия, технология, анализ и применение/ Т. Пучкова. – М.: Школа Косметических Химиков, 2005.
13. А.А. Лебедев «Эффективность использования фитопробиотиков в рационах молочных коров», диссертация, 2013.