Микробиом рубца – основа большого молока

Зинаида Хализова, кандидат биологических наук, Институт развития сельского хозяйства, директор

ОСНОВА БОЛЬШОГО

Достижение высокой продуктивности молочного стада на сегодняшний день является «важнейшим из искусств» в сельском хозяйстве. С одной стороны, владельцам хозяйств необходимо добиться значительных результатов, а с другой - сохранить здоровье стада. Соблюсти эту золотую середину не всегда получается и, прежде всего потому, что в последнее время количество комбикормов в рационе коров значительно превышает размер объемистых кормов собственной заготовки. Все это негативно сказывается на здоровье животных. Но выход есть - глубокое исследование влияния рациона дойных коров на состав микрофлоры рубца. И это - почти космос.

V . ' V

БИОРЕАКТОР НА БОРТУ

- Базовые знания о рубце не изменились, рассказывает Иван Иванович Малинин, технический

директор Lallemand Animal Nutrition. - Так же как и ранее, мы представляем себе экосистему рубца как симбиоз микроорганизмов и млекопитающих. Последние предоставляют микроорганизмам среду для жизни, обеспечивая необходимыми темпе-ратурно-влажностными условиями, создавая анаэробные условия, и поставляя необходимый для питания микроорганизмов субстрат. А в ответ животные-хозяева получают метаболиты микробных процессов, используя их для своего питания, впрочем, как и собственно микробиальную биомассу. Главной особенностью такого сотрудничества является то, что животные могут использовать энергию из субстрата, недоступного для прямого переваривания - из клетчатки.

- Нам известно, продолжает эксперт, что подавляющую часть рубцового микробиома представляют различные виды бактерий. Общая их численность составляет 1010-1011 микроорганизмов в миллилитре рубцового содержимого. Вторыми по биомассе, но не столь многочисленными являются простейшие микроорганизмы. Обычно их численность колеблется на уровне 104-106 микроорганизмов в миллилитре рубцового содержимого. На третьем месте находятся очень специфические

анаэробные грибковые микроорганизмы рубца, имеющие некоторые признаки, характерные только для бактериальных клеток. Они обеспечивают 8-12% микробной биомассы, а их численность находится в пределе 103-106 спор на миллилитр рубцового содержимого. На долю метанообразующих археев приходиться около 4% биомассы рубца, а их численность колеблется в пределах 106-108 микроорганизмов/мл. Кроме того, в рубце присутствую вирусы-бактериофаги, регулирующие численность и видовой состав бактериальной микрофлоры. Они играют значимую роль в горизонтальном переносе генетического материала между микроорганизмами рубца и формировании новых мутаций генов бактерий, архей и грибков.

Однако, с появлением новых современных методик оценки качественного разнообразия и количественного содержания генетического материала в рубцовой среде, а так же возможности комбинации этих исследований с изучением количественного и качественного содержания метаболитов микроорганизмов, синтезируемых протеинов и так далее, современная наука перешла к более глубокому и детальному изучению процессов, происходящих в рубце. Так, если ранее с помощью высевания культур микроорганизмов, можно было детектировать приблизительно 20% присутствующих в микробиоме рубца микроорганизмов, то сейчас изучение генетического материала позволило прояснить картину и существенно увеличить количество детектируемых видов. Кроме того современные методы изучения

ЭФФЕКТИВНОЕ № 1 Февраль ЖИВОТНОВОДСТВО 2021

ГЕНЕРАЛЬНЫЙ ПАРТНЕР ВЫПУСКА

ХУРАЛХИМ

13

микробиоценоза рубца позволяют наблюдать взаимосвязь между факторами влияния на экосистему, например разных типов кормления скота, и качественным и количественным составом микрофлоры рубца. Lallemand Animal Nutrition уже более 25 лет занимается вопросами рубцового пищеварения скота. В содружестве с Институтом сельскохозяйственных исследований Франции (INRA) мы создали лабораторию изучения процессов, происходящих в рубце, и сейчас уделяем большое внимание новым типам исследований.

- Не так давно стало известно, что в созвездии Ориона потухла одна их самых ярких звезд -Бетельгейзе. Общественность стала рассуждать, что теперь будет с ней, каковы сценарии развития ситуации. Мы, оказывается, намного больше осведомлены о том, что происходит за тысячу световых лет от Земли, чем о том, что происходит совсем рядом - в желудке коровы, - отмечает Дмитрий Григорьев, за-

1МЕГАМИКС меститель генерального директора по развитию и сопровождению новых продуктов компании МЕГАМИКС, кандидат сельскохозяйственных наук. - Коровы - уникальные жвачные животные, они имеют свой собственный биореактор на борту. Благодаря чему способны перерабатывать то, что не в состоянии переварить мо-ногастричные животные. Поэтому так важно понимать, что происходит в рубце. Понимать для того, чтобы правильно доить - не корову, а микрофлору рубца, - продолжает эксперт. - В рубце обитают многочисленные организмы. Больше всего бактерий, которых насчитывается порядка трехсот видов, они составляют 1010 на 1 КОЕ/мл, и если их взвесить, получится где-то половина всей массы ми-кробиоты рубца. Далее по весу, но не по значению идут простейшие - различные амебы, туфельки и так далее. Они не превышают 106 на 1 КОЕ/мл, но по массе это более крупные организмы, поэтому их вес идентичен массе микробов. Менее всего изучены грибки рубца, их доля составляет 105 КОЕ/мл, это порядка 8-10 % от общей массы рубца. И, наконец, самые древние и таинственные обитатели микрофлоры жвачных - это метаногенные археи, их всего шесть видов и они занимают 104 КОЕ/мл. Это экстремальные жители нашей земли, от которых, согласно научной версии, произошли все живые организмы.

Й- Выражение «молоко у коровы находится в рубце» известно, наверное, всем животноводам, комментирует Елизавета Васильева, технический консультант ГК «Апекс Плюс». - Жвачные апекс плюс животные в процессе эволюции приспособились получать 70-80% энергии из летучих жирных кислот, выработка которых происходит благодаря уникальному микробному сообществу, населяющему рубец. Главное их отличие от моногастричных животных - это умение наиболее активно и эффективно перерабатывать клетчатку.

- Общее количество микрофлоры в рубце более 3*1015 КОЕ, из которых 85% бактерии, 10% простейшие (50% биомассы рубца), 5% грибки. Все они выполняют свои функции в переваривании кормов. Бактериальное сообщество рубца насчитывает более 5000 видов различных бактерий. Основная их функция - переработка углеводов. При этом есть разные типы бактерий, способных перерабатывать различные углеводы. Одни из них - расщепляют клетчатку

(целлюлозу) в рубце до ацетата и бутирата, вторые - перерабатывают крахмал и легкодоступные сахара, разлагая их до пропионата и лактата. В норме в рубце преобладает целлюлозолитическая, т.е. расщепляющая клетчатку, микрофлора (активный представитель - Fibrobactersuccinogenes). Грибковые представители рубцовой микрофлоры так же принимают участие в расщеплении клетчатки - механически раздвигая своими гифами ее волокна, они способствуют более быстрому расщеплению клетчатки, поясняет спикер.

- Экосистема рубца является сложным биологическим комплексом, представленным множеством видов бактерий, грибов, простейших, каждый из которых выполняет свою специфическую роль, -комментирует Андрей Владимирович Мелки-шев, советник по научной работе ООО «Завод по производству премиксов «ЭкоМакс». -

Доминирующая роль в эдводгтогтоиэводстаугртиксов

этой экосистеме принадлежит целюллозолитичиским бактериям и грибам, расщепляющим клетчатку, и дающим значительную часть обменной энергии организму. Ряд микроорганизмов участвуют в расщеплении протеина корма и синтезе микробного белка. Ряд микроорганизмов обеспечивают синтез жизненно необходимых витаминов. Таким образом, рубец является некой биологической кухней коровы. Тот корм, который мы задаем животным, является в большей части лишь субстратом - пищей для рубцовой микрофлоры, а образовавшаяся микробная масса уже является полноценной пищей коровы.

УНИКАЛЬНЫЙ МЕТАБОЛИЗМ

- Рубец клинически здоровых животных содержит большое количество микроорганизмов, размножающихся в основном при нейтральном значении рН, - в продолжение темы рассказывает Елизавета Васильева, (ГК «Апекс Плюс»). Основная роль этих микроорганизмов - переваривание клетчатки. При кислых значениях содержимого рубца происходит угнетение роста целлюлозолитических бактерий, грибов и простейших, что приводит к потере целлюлозной активности и прекращению переваривания клетчатки.

Специалист отметила, что при нарушении баланса в рационе сочных, грубых и концентрированных кормов рН содержимого рубца и количество в нём уксусной кислоты снижается с одновременным увеличением содержания масляной, молочной и про-пионовой кислот. Известно, что организм крупного рогатого скота способен усваивать уксусную, пропионовую и масляную кислоты, но не может усваивать молочную кислоту. В рубце содержится 0,1-1,0 млн/см3 Propionibacterium shermanii, Megasphera elsdenii, Seiemonas rumaninatrium. Эти микроорганизмы усваивают молочную кислоту, превращают её в пропионовую кислоту и другие производные. Однако, при снижении рН до 5,5 скорость роста этих бактерий резко снижается и, как следствие, прекращается утилизация лактата, который накапливается в рубце.

- Это провоцирует кислотное повреждение защитного слоя стенки рубца,

14

Тематический номер «Молочное и мясное скотоводство»

шшш. agroyug.ru

а микротравмы, наносимые частицами корма, обусловливают колонизацию слизистой рубца интенсивно размножающимися фузобактериями, - акцентирует Елизавета Васильева. - Известно, что Fusobactehum necrophorum использует в качестве энергетического субстрата лактаты, число этих микроорганизмов в рубцовом содержимом при ацидозе возрастает более чем на порядок. При этом, проникновение микробов и выделяемых ими эндотоксинов через слизистую оболочку в кровь обусловливает последующее распространение процесса и соответствующую клиническую картину болезни.

Фото 1. Поражение стенки рубца коровы при ацидозе.

- На данном фото можно увидеть поражение стенки рубца при ацидозе. Пораженные участки слизистой становятся воротами для проникновения инфекций. Разносясь с током крови, инфекционные агенты вызывают ряд заболеваний КРС, имеющих прямую связь с нарушениями кормления - гепато-зы и циррозы печени, ламиниты и пододермати-ты. Они также наносят огромный экономический ущерб животноводству, - продолжает Елизавета Васильева. - Например, в этиопатогенезе ламинита (диффузного пододерматита) основную роль играет гистамин, нарушающий нормальное кровообращение в тканях копыта. Гистамин содержится в большом количестве в оболочках зёрен злаковых, используемых для кормления коров. Также,

высвобождению гистамина, лабильно связанного с белками рога копытец, способствует гиподинамия. Всё это приводит к разрыхлению рогового слоя копытца, его травмированию, инфицированию и развитию воспалительных процессов. Существует прямая корреляция между рН рубца, концентрацией гистамина в кишечнике и здоровьем животного (ламинит). Синтез гистамина связан с изменением микробной популяции рубца. Активная роль в нем принадлежит бактерии из рода клостридий -AШsonella histaminiformans, активно утилизирующей гистидин, в результате чего идет накопление гистамина в тканях рубца, а впоследствии распространение его с током крови, - считает эксперт. -При метаболическом ацидозе, когда рН в рубце падает ниже отметки 5,2 и кровь коровы становиться рН ниже 7,35, клетки крови начинают плохо работать, также как и бактерии в рубце. Кислая кровь не может переносить достаточное количество кислорода. Конечности коров, которые наиболее удалены от туловища, получают наименьшее количество кислорода и питательных веществ из крови, и, как результат, распухают. Эндотоксины, которые также вырабатываются в рубце, способствуют высвобождению гистамина, который увеличивает сжатие сосудов, что в дальнейшем приводит к отеку и воспалению конечности. Давление между стенкой копыта и копытной костью приводит к болезненности, кровотечениям и язвам, обусловленным ламинитом.

- На сегодняшний день в России из-за слишком активного использования молочные коровы не могут протянуть более трех лактаций. Наиболее распространенные причины выбраковки коров в нашей стране - это острый и подострый ацидоз рубца и его последствия, такие, как кетоз, снижение молочной продуктивности, некробактериоз, ламиниты и патологии репродуктивной системы, - продолжила тему Елена Йылдырым, главный биотехнолог моле-кулярно-генетической лаборатории ООО «БИО-ТРОФ», профессор кафедры крупного животноводства СПбГАУ, доктор биологических наук.

Энергетический метаболизм жвачных уникален: энергия поступает, в основном, за счет микробного брожения в рубце. Можно бесконечно перечислять многочисленные функции рубцовой микробиоты, но одной из важнейших является ферментация сложных углеводов в важнейшие продукты, а именно летучие жирные кислоты (ЛЖК): пропионат, ацетат, бутират и т.д, - рассказывает Елена Александровна. - Так, у жвачных животных около 90% глюкозы образуется вследствие глюконеогенеза. Важнейшими предшественниками глюконеогенеза являются ЛЖК, образуемые в рубце и транспортируемые в печень, где они включаются в этот процесс, что обеспечивает животное высокоценной глюкозой. Поэтому, выраженные, глубокие нарушения метаболизма жвачных начинаются именно вследствие дисбиоти-ческих сдвигов в составе микробиома.- Кормление высокопродуктивных молочных коров - это сложная задача, особенно в период лактации. Высокопродуктивные коровы намного требовательнее к условиям кормления, чем среднепродуктивные животные. Тем не менее, экономика молочного животноводства потребовала увеличения производства молока, чтобы многие молочные фермы оставались «на плаву» в финансовом отношении. Результатом явилась колоссальная перегрузка рубца крахмалом, моноса-харами и белками при одновременном снижении доли клетчатки. Это резко не соответствует физиологическим потребностям животных, поскольку