Корма и кормовые добавки

03.01.2024

Реальные пути получения пропионата в рубце дойных коров как основного прекурсора глюкозы крови

Глюконеогенез у лактирующих коров

Известно, что пропионат — прекурсор глюкозы крови, который занимает 80% долей всех других прекурсоров. Как видно из рис. 1, пропионат выступает в качестве важного фактора для поддержания скорости глюконеогенеза. При этом высвобождается часть оксалоацетата и ацетат начинает активно включаться в ЦТК (цикл трикарбоновых кислот, или цикл Кребса) с получением энергии. Однако на практике установлено, что коровы имеют все признаки инсулинрезистентности в транзитном периоде, что свидетельствует о дефиците энергии. То есть на самом деле пропионат образуется в недостаточном объеме. Как образуется пропионат? Синтез пропионата в рубце происходит при использовании в качестве субстрата лактата группой бактерий лактат-утилизаторов, в числе которых клостридии и молочнокислые бактерии. Необходимо учитывать также, что те же молочнокислые микроорганизмы и клостридии способны окислить некрахмалистые полисахариды силоса (фруктозаны) и зерновых до короткоцепочечных жирных кислот (КЦЖК), в том числе и пропионата. Какая-то часть пропионата образуется пропионовокислыми бактериями. Здесь нужно иметь в виду, что часто игнорируется либо невнятно объясняется возможность ингибирования роста этих микроорганизмов. На самом деле в обычных условиях концентратного кормления избыток глюкозы в рубце за счет возникающего «глюкозного эффекта» тормозит деятельность данной популяции. Таким образом, пропионат образуется в концентрации, явно недостаточной для поддержания глюконеогенеза. Поэтому необходимо так или иначе активировать всю систему синтеза пропионата (рис. 1).

Рис. 1. Схема глюконеогенеза у дойных коров

Это даст возможность усилить синтез фосфоенолпирувата и, соответственно, активирует окисление образовавшегося пирувата пируваткарбоксилазой до оксалоацетата с эффектом снижения пула ацетата (рис. 1). Следует также иметь в виду, что избыток ацетата может быть реализован в синтезе жиров, прежде всего на жир молока. Таким образом может быть снова восстановлен так называемый «челночный» механизм пируват–ацетат, и в этом случае обеспечение прекурсорами ацетата становится реальным. Отсюда необоснованные нападки на кетоз необходимо принимать как абсолютное извращение понимания данного механизма. Об этом подробнее в дальнейшем.

А теперь для реализации вышеизложенного необходимо понять, где взять пропионат.

Мы обнаружили в результате многочисленных экспериментов на дойных коровах, что есть четыре возможности управления синтезом пропионата с последующим обеспечением прекурсорами ЦТК.

1. Создание в рубце условий «обхода» катаболитной репрессии («глюкозный эффект») путем стимуляции роста лактат-утилизаторов. Это путь введения специальных регуляторов, стимуляторов и кофакторов в виде аминокислот, витаминов, полисахаридов и др.

2. Активация распада пула некрахмалистых полисахаридов   в   том   числе введением «незаменимых» факторов роста лактобактерий, полезных клостридий и др. Субстрат — прежде всего растворимые пищевые волокна — фруктозаны силоса.

3. Устранение различных ингибиторов синтеза микробиоты (в том числе микотоксинов, патогенных клостридий) путем введения специальных нейтрализаторов токсинов, молочнокислых бактерий и др.

4. Выбрать опытным путем дозу вводимых регуляторов.

Таким образом, становится понятным, что естественные механизмы биогенеза молока, тесно увязанные с доступностью пропионата как главного прекурсора образования глюкозы крови, у коров в условиях концентратного кормления в значительной степени разрушены. То есть так называемый «отрицательный баланс» энергии и инсулинрезистентность становятся обязательным следствием сложившейся ситуации. Последствия очевидны: прежде всего возникающая инсулинрезистентность, далее цепочка метаболических нарушений, убытие животных и в конечном итоге — плохая биоусвояемость кормов и низкие экономические показатели при содержании коров. Возникает вопрос: какова роль кетоза в вышеперечисленных условиях?

Пути снятия дефицита энергии

Кетоз — это эволюционно обозначенный путь снятия дефицита энергии за счет окисления резервов тела (жирные кислоты). Известно, что после отела резко возрастает потребность в увеличении уровня глюкозы крови. Однако скорость глюконео-генеза ограничена недостатком прекурсоров для вовлечения ацетата в ЦТК и, соответственно, дефицитом энергии для его реакций, в том числе для транспорта глюкозы, то есть присутствуют все признаки инсулинрезистентности. Дефицит энергии в виде АТФ воспринимается печенью коровы как сигнал к необходимости увеличить пул ацетата, однако установлено, что ацетат лимитирован к вхождению в ЦТК в связи с недостатком прежде всего оксалоацетата (см. выше). Таким образом, создается ситуация, когда количество образуемых в тканях кетоновых тел превышает возможности их утилизации для получения энергии.

В течение последних 10 лет появилось огромное количество публикаций (в основном отечественных) по поводу вреда, наносимого кетозом. Кетоз представляется как «ночной кошмар», как причина многих отклонений в здоровье коров, как болезнь, причем не подлежащая лечению. На самом деле кетоз — это последняя попытка коровы устранить всю совокупность метаболических нарушений в процессе биогенеза молока в условиях концентратного кормления, которая в обычных условиях не реализуется по причине дефицита прекурсоров для реализации ацетата в ЦТК. В чем же первопричина? Разумеется, в составе рецептов корма, в которых значительна роль крахмала и глюкозы, что и запускает механизмы депрессии роста микробиоты. И что наиболее странно, программы рационов не предусматривают какой- либо коррекции нормативов корма либо введение регуляторов обмена. На наш взгляд, здесь имеет место введение покупателей многочисленных программ в заблуждение в отношении свойств предлагаемого продукта. Если помягче — попытка выдать желаемое за действительное. За рубежом появляется все больше публикаций по поводу использования программированного кормления как «бухгалтерских операций», что означает невозможность решения возникающих проблем. Хотя, казалось бы, все реакции биогенеза молока (рис. 1) были тщательно изучены в зарубежных исследованиях и в итоге должен был быть обнаружен инструмент, позволяющий в условиях концентратного кормления обеспечить поставку прекурсоров для глюконеогенеза. На самом деле анализ добавок к кормам показывает предложение малоэффективных продуктов типа пропиленгликоля, защищенных жиров, витаминных комплексов и т.д. Ситуация не меняется. Современное животноводство никак не относится к категории «эффективного».

Каждый производитель молока знает, что достижение уровня продуктивности 10–12 тыс. л/ гол. (на фуражную корову) имеет свою цену — от 30 до 50% выбраковки поголовья в год. Остальные коровы болеют, и затраты на ветеринарию растут. То есть без государственной дотации хозяйства не могут быть рентабельными. Российское стадо коров ежегодно «тает» на определенный процент, и длительность продуктивного использования составляет 2,5–2,7 года. Биоусвояемость кормов низкая (40–50% питательных веществ потребленного корма выделяется с навозом). При этом корма, премиксы становятся дороже, а закупочная цена на молоко снижается. Понятно, что государству есть куда тратить деньги, и каждая помощь должна быть обусловлена снижением затрат и использованием новых технологий (если они имеются).

В истории есть примеры, когда попытки в течение длительного времени получать целевой продукт в условиях ломки регуляторных механизмов биогенеза приводят к полной экономической нецелесообразности дальнейшего использования такой технологии. К примеру, в 60–70-х годах в производстве антибиотиков и ферментов от технологии чрезмерного обогащения питательных сред с целью увеличения биосинтеза вторичных метаболитов были вынуждены перейти на метод feeding (дробное введение глюкозы).

Здесь можно услышать возражения, что есть хозяйства, где якобы все хорошо, рентабельность в порядке, коровы почти не болеют, высокие надои и т.д. Да, это возможно на фермах, где животные поедают качественные корма и силос при снижении до минимума уровня привходящих негативных факторов (наличие токсинов, клостридий, нарушение технологии) и при этом тщательно соблюдается кривая «персистентности» по ходу лактации, контролируются признаки появления метаболических нарушений, в том числе инсулинрезистентность. Тем не менее это исключение, или лукавство, скорее всего, это «потемкинские деревни». Дефицит энергии всегда заметен по целому ряду признаков, в числе которых свежие метаболические нарушения — ламиниты, послеотельные осложнения, а также парезы, эндометриты, высокий уровень кетоновых тел, ацидозы, маститы и превышение нормы соматических клеток.

Причины неблагополучия молочного стада

Далее более подробно обсудим, как все-таки образуется дефицит энергии в данном случае у коров и что можно предложить в качестве способа коррекции вышеописанных (рис. 1) реакций биогенеза.

Итак, рассмотрим ситуацию в рубце и кишечнике коров. Известно, что активность рубца обеспечивают около 200 различных видов микробиоты. Наиболее значимые из них 10–15 видов. Это означает, что в рубце осуществляется совместное культивирование различных видов микробиоты, среди которых молочнокислые, амилолитики, целлюлозолитики, дрожжи, простейшие, клостридии, пропионовокислые. Соответственно, предлагаемые композиции кормов для коровы, на самом деле являются ферментационными средами для микробиоты рубца, а пища коровы — вторичные продукты синтеза — короткоцепочечные жирные и органические кислоты: ацетат, пропионат, бутират, лактат. Кто хоть как-то знаком с микробиологией, должен понимать, что не может быть какой-то унифицированной среды для всех видов микробиоты. У каждого свои потребности в субстратах, как углеводных, так и белковых. Достаточно заглянуть в определитель микроорганизмов Bergi.

Естественно предположить, что все ведущие виды микробиоты растут с различной скоростью, конкурируя за субстраты; в какой-то момент скорость роста замедляется и начинается синтез вторичных метаболитов — в данном случае органических кислот, витаминов группы В и др.

Часть образовавшейся биомассы уходит из рубца и утилизируется в кишечнике в качестве микробного белка. Далее этот процесс представляется как полунепрерывный и, естественно, как неуправляемый, хаотичный. Совместная ферментация на предложенной (одной для всех) ферментационной среде имеет свои ограничительные параметры — биоусвояемость субстратов среды не более 40%, соотношение КЦЖК — ацетата (50–70%), пропионата (17–22%) и бутирата (14–20%). Установленное соотношение, выявленное, скорее всего, в опытах in vitro, как мы видели (рис. 1) не в состоянии обеспечить доставку прекурсоров для функционирования входа ацетата в ЦТК. Так выглядит ситуация с учетом понимания пищеварения лактирующих жвачных.

Основа действующих регуляторных механизмов для микробного сообщества рубца и кишечника — это так называемый «глюкозный эффект», или «катаболитная репрессия». Так или иначе мы всегда имеем определенный пул глюкозы, поступающий в итоге окисления крахмала, и в том числе при разрушении целлюлозы.

Глюкоза в соответствии с эволюционно обозначенными принципами экономии репрессирует окисление субстратов, образующих те же катаболиты, как и при окислении глюкозы. Поэтому полисахариды (крахмалистые, некрахмалистые), жиры, дисахариды и т.д. в присутствии глюкозы имеют низкую биоусвояемость. Соответственно, тормозится рост и активность лактат-утилизаторов и синтез пропионата. В рубце появляется избыток лактата (ацидоз). Снижается скорость образования вторичных метаболитов — органических кислот, и, соответственно, лимитируется их использование в реакциях глюконеогенеза.

Таким образом, нормированное использование рациона коров в свою очередь имеет следствием запрограммированное заболевание коров, сокращение сроков продуктивного использования, снижение оплодотворяемости и биоусвоения кормов — в целом низкую рентабельность. Эта картина неблагополучия дополняется нестабильным качеством силоса, что в значительной степени ухудшает показатели, в том числе вследствие активного поступления токсинов в рубец. Обсудим эту ситуацию.

1. Молочнокислое брожение в неуправляемых условиях (силос).

В растениях за счет наличия в их соке сахаров молочнокислое брожение осуществляется в течение достаточно короткого временного периода, включая рост популяции молочнокислых бактерий и синтез ими молочной кислоты (в данном случае вторичного метаболита). Рост молочнокислых бактерий замедляется при снижении концентрации углеводов и соответственно уменьшается скорость синтеза лактата. Пропионат вырабатывается в небольших количествах, как принято считать, в результате деятельности лактат-утилизаторов. В то же время синтезируется ацетат, вероятно, из двух источников — глюкозы, образующейся при гидролизе целлюлозы, и некрахмалистых полисахаридов (НПС), в том числе фруктозанов, с образованием короткоцепочечных жирных кислот (КЦЖК). В итоге короткий период роста молочнокислых бактерий и синтеза лактата не способствует накоплению пропионата; более того, кислоты утилизируются другими микроорганизмами, pH возрастает и формируется среда, способствующая росту патогенных Clostridium, которые утилизируют глюкозу, а при доступе кислорода создаются благоприятные условия для роста грибов (в том числе Fusarium) и появления их метаболитов — токсинов. При повышении pH активизируются целлюлолитики и силосная масса теряет структуру. Таким образом, в обычных условиях в силосной массе происходит смена разных типов брожения при участии культур анаэробов и аэробов. В итоге в весенний период или значительно раньше силос представляет собой сильнейший ингибитор рубца, что негативно влияет на здоровье и продуктивность коров.

2. Управляемое силосование.

Основная идея — создание специальных условий для роста культуры Lactobacillus acidophilus и синтеза молочной кислоты. Можно предположить, что увеличение объема лактата за счет пролонгированной ферментации в свою очередь позволит уже в силосной массе увеличить пул пропионата — основного прекурсора глюкозы крови и энергии, получаемого из лактата путем ферментации лактат-утилизаторов.

В то же время увеличение биомассы Lactobacillus и ряда других культур — деструкторов НПС (фруктозанов травы) будет способствовать увеличению пула КЦЖК, в том числе пропионата.

Получаемая в этом случае длительность консервации с pH в кислой зоне препятствует развитию патогенных Clostridium и образованию токсинов.

3. В рубце коровы в условиях введения регуляторов роста (таких как регулятор Полис) и активности микробиоты на фоне концентратного кормления с включением Полиса создается аналогичная ситуация с образованием необходимого количества пропионата, основного прекурсора глюкозы и получения энергии.

4. В этой связи правильным решением является создание синергидного эффекта в рубце и силосной яме с получением дополнительной энергии в виде КЦЖК. Это возможно при условии пролонгирования молочнокислой ферментации в процессе силосования.

Какие параметры силоса на сегодня приняты как индикаторы его качества?

Это кислоты — молочная, уксусная, пропионовая как результат ферментации сока травы несколькими видами молочнокислых и пропионовокислых бактерий. Соответственно, pH в пределах 4,0–4,2. Белок, образуемый за счет сахаров травы и синтеза микробной массы, должен быть в определенных пределах, что должно подтверждать эффективность ферментации. Расчетная обменная энергия, которую должна получить корова, также в определенных пределах.

Имеется в виду, что все эти показатели сохраняются достаточно долгое время, и в этом смысл термина «консервация силоса», то есть корова в любой момент должна употреблять полноценную клетчатку. Если так, то даже для неуправляемого рубца (концентраты) корова получила бы в итоге в ежедневном режиме пул КЦЖК, в том числе пропионат, что позволило бы снимать дефицит энергии. К сожалению, не все так просто. Дело в том, что силос — это все-таки мультивалентная ферментация, в которой молочнокислое брожение занимает неопределенную долю и сильно зависит от многих факторов (вид травы, влажность, оптимальная температура для развития молочнокислых бактерий, фаза цветения растений и др.). Получаемый целевой продукт лактат (вторичный метаболит) используется лактат-утилизаторами для роста или трансформации в другие продукты, в том числе пропионат. Кроме того, известно, что именно молочнокислые бактерии обладают уникальной способностью использовать некрахмалистые полисахариды фруктозаны для своего роста с образованием КЦЖК (схема Вайнштейна, см. рис. 2).

Рис. 2. Последствия метаболизма ПВ в толстой кишке (Вайнштейн С.Г., 1994)

В этой связи можно предположить, что в силосе водорастворимые фруктозаны (до 50% клетчатки) также могут быть мишенью для молочнокислых микроорганизмов в какой-то период ферментации. Длительность этого периода, эффективного для коровы, неопределенна и лимитируется доступностью субстрата (легкоусвояемые углеводы) для роста молочнокислых и вторичного синтеза лактата.

На наш взгляд, если говорить о роли силоса в процессе образования энергии для коровы с учетом всех ее потребителей, то необходимо прежде всего считаться с законами микробиологии и, соответственно, оценивать не только внешние параметры, а в целом микробиологическую картину в динамике. Таким образом, в обычных условиях силос не обеспечивает синергидный эффект влияния на отрицательный баланс энергии совместно с активностью рубцовой микробиоты. Мы предполагаем, что это объясняется недостаточной активностью молочнокислой ферментации, которая никак не контролируется и не управляется.

Какой силос может устранить дефицит энергии?

Каким образом можно придать силосной массе способность обеспечить синергидный эффект в устранении дефицита энергии у коров? В течение ряда лет мы проводили исследования эффективности использования культуры штамма Lactobacillus acidophilus, полученного от теленка. Было установлено, что штамм обладает высокой способностью к синтезу лактата и устойчивостью к концентрации лактата.

При введении в состав корма в виде ацидофилина (108–1010 КОЭ) данная культура обеспечивает снятие диареи у коров, снижение соматических клеток, уровня маститов, увеличение молочной продуктивности. Это свидетельствует о том, что культура имеет признаки «аборигена» и повышает энергетический статус животных, что, на наш взгляд, объясняется ее способностью к синтезу КЦЖК из фруктозанов. Важно, что культура осуществляет гомоферментативное брожение с образованием основного продукта — молочной кислоты.

   "В настоящее время мы впервые организовали крупномасштабное производство ацидофильной культуры  для  крупного  рогатого  скота,  что  дает возможность регулярного ее введения в рацион. Данная культура обеспечивает снятие диареи у коров, снижение соматических клеток, уровня маститов, увеличение молочной продуктивности".

С учетом вышеизложенной ситуации с силосом дальнейшая задача заключалась в разработке специальной обогащенной ферментационной среды для выращивания посевного материала (закваски) для силосования. Эта среда создает условия для пролонгированного роста культуры и длительного синтеза молочной кислоты в силосной массе.

Опыты с внесением Lactobacillus acidophilus при закладке ямы проводились в течение трех лет. С точки зрения формалитета все принятые показатели качества находились в норме.

Установлено, что в течение всего времени использования опытных ям с внесением Lactobacillus acidophilus:

• наблюдался постоянно высокий уровень белка в консервируемом зеленом корме. Это биомасса прежде всего лактат-синтезаторов, что позволяет снижать количество белков корма (шрота, жмыха);

• уровень жизнеспособности Lactobacillus acidophilus поддерживался в пределах 105–106 КОЭ в течение всего периода эксплуатации ямы.

Доказано, что в течение всего времени кормления из опытных ям молочная продуктивность коров отличалась стабильностью и более высокими показателями в сравнении с обычным методом силосования (импортные закваски, химические консерванты).

Таким образом, предлагаемый нами способ силосования с использованием штамма Lactobacillus acidophilus может обеспечить хозяйству синергидный эффект по снятию дефицита энергии у крупного рогатого скота в течение всего процесса лактации при условии включения источников регуляторов обмена в рацион коров.

Можно, разумеется, предположить, что в течение десятилетий применения нормированного корма появилось понимание необходимости снижения крахмала в рационе. Тем не менее большинство хозяйств по-прежнему стремится увеличить молочную продуктивность, используя концентратное кормление.

Полис — стимулятор активности лактат-синтезаторов

В течение ряда лет нами были проведены исследования по влиянию разработанных рецептур регуляторных комплексов на дойном стаде в ряде хозяйств. При этом мы не ставили задачу исключить нормированное кормление, понимая, что это теперь невозможно. Задача заключалась в поиске субстанций, заметно влияющих на активацию роста популяции микроорганизмов, ответственных за синтез прекурсоров глюкозы крови, в том числе пропионата и, соответственно, устранение дефицита энергии.

В качестве регуляторов роста мы впервые предложили использовать пищевые волокна — комплекс полисахаридов под названием «Полис». Специальные исследования, проведенные в ВИЖ (проф. Буряков Н.П.) позволили установить, что продукт стимулирует активность многих представителей рубца, однако в большей степени — лактат-синтезаторов и лактат-утилизаторов, то есть достигается равновесие между синтезом лактата и его использованием для синтеза пропионата. В последнем процессе участвуют некоторые штаммы Clostridium и пропионовокислых бактерий.

В результате лактат утилизируется полностью на синтез как пропионата, так и пирувата (см. рис. 1). Это в свою очередь позволяет получить оксалоацетат и использовать ацетат в ЦТК с получением энергии, в том числе и в условиях кетоза.

По-видимому, полисахариды в какой-то степени являются незаменимыми факторами роста прежде всего молочнокислых бактерий и позволяют включить обходные механизмы для устранения катаболитной репрессии, вызванной избытком глюкозы.

Есть два важных обстоятельства, подтверждающих правильность выбранного пути.

1. Мы достигаем высокой биоусвояемости кормов рациона (рис. 3), что свидетельствует о возрастании активности микробной популяции. Это дает возможность снизить содержание крахмала до 18–20% (сухого вещества) и, соответственно, уменьшить депрессирующую роль глюкозы в рубце.

   Действительно, как видно из рис. 4, pH имеет колебательный характер кривой, то есть происходит закисление, а затем по мере устранения кислых продуктов (лактат, КЦЖК) pH возрастает до нейтральных значений. Очевидно, что это способствует активизации целлюлолитиков (оптимум pH 6,4–7,2). Мы можем предположить, что ~50% клетчатки, а именно фруктозаны и ксиланы становятся доступными для деструкции молочнокислыми до КЦЖК, в том числе и ацетата (рис. 3).

2. Мы провели исследование динамики pH в рубце с помощью датчиков с целью подтверждения активности реакций лактат-пропионат.

Действительно, как видно из рис. 4, pH имеет колебательный характер кривой, то есть происходит закисление, а затем по мере устранения кислых продуктов (лактат, КЦЖК) pH возрастает до нейтральных значений. Очевидно, что это способствует активизации целлюлолитиков (оптимум pH 6,4–7,2). Мы можем предположить, что ~50% клетчатки, а именно фруктозаны и ксиланы становятся доступными для деструкции молочнокислыми до КЦЖК, в том числе и ацетата (рис. 3).

Рис. 3. Степень биоусвояемости субстратов рациона

Рис. 4. Схема изменений pH в рубце при введении в рацион Фунгистата ГПК новой композиции

Выводы

Подводя итог изложенному, можно утверждать, что нам удалось найти способ управления ростом и активностью как лактат-утилизаторов в рубце (молочнокислые и Clostridium) с использованием пропионата из лактата, так и активностью молочнокислых в отношении фруктозанов силоса с образованием КЦЖК и в том числе пропионата.

По-видимому, вводимые нами в качестве незаменимых факторов роста молочнокислых полисахариды различной природы способны обеспечить необходимый пул биомассы для функционирования двух важных источников пропионата. Этовсвоюочередьсоздаетвозможность обеспечения прекурсорами, необходимыми для включения ацетата в ЦТК (прежде всего оксалоацетата), с эффектом устранения дефицита энергии и инсулинрезистентности у коров.

 

Количество показов: 342
Автор:  М. Малков, профессор, директор по науке ООО «НПФ «ЭЛЕСТ»
Компания:  ЭЛЕСТ