Преимущества и необходимость использования регуляторов обмена в условиях концентратного кормления коров

Преимущества и необходимость использования регуляторов обмена в условиях концентратного кормления коров

По официальной статистике, поголовье коров ежегодно снижается на ~5%. Вынужденная выбраковка коров в хозяйствах достигает 40–50%. Возрастают расходы на ветпрепараты. То есть «за все надо платить». В этой ситуации вполне резонно возникает вопрос о качестве молока и мяса. С учетом снижения закупочных цен на молоко рентабельность при такой технологии оставляет желать лучшего. Не следует думать, что этот сценарий характерен только для РФ. Судя по публикациям и оценивая положение дел при посещении фермерских хозяйств в ряде стран, можно сделать вывод о наличии тех же проблем за рубежом. К сожалению, в хозяйствах считают, что как-либо изменить способ кормления и содержания коров затратно, а потому не выгодно.

При этом совмещение высоких надоев и хорошего здоровья при отсутствии каких-либо механизмов управления потреблением корма, невозможно. 

Несколько лет назад мы провели тщательный анализ причин появления указанных выше нарушений здоровья. Для этого нам пришлось проанализировать в динамике ситуацию с поголовьем коров в 60-е годы (то есть ~60 лет назад).

Анализ показал, что у коров с невысокими надоями не регистрируется заметных проблем с метаболическими нарушениями, а следовательно и со здоровьем. В 60–70-е годы за рубежом стали активно внедряться в практику программы нормированного кормления на основе теории линейного программирования проф. Канторовича В.Л. (Нобелевская премия совместно с американскими учеными). Суть нормированного кормления состоит в установлении зависимости уровня молочной продуктивности от объема вводимых концентратов, в том числе крахмала. При этом никак не учитывалось влияние избытка глюкозы в рубце на развитие микробиоты, так же как и судьба биохимических реакций в печени — участников биогенеза молока. Результат — огромный дефицит энергии для всех ее потребителей в организме, инсулинрезистентность и т.д.

Только теперь за рубежом стали появляться публикации, в которых ставится под сомнение принятый во всем мире расчет энергии корма с помощью математических моделей.

К сожалению, предположение «что корова сама распорядится заданной энергией корма и направит ее в нужное русло» — наивно, так не бывает. Прежде всего потому, что предлагаемый корове корм на самом деле является питательной средой для микробиоты рубца. Пища коровы — комплекс органических кислот, образуемый в рубце, в том числе ацетат, пропионат, молочная кислота (Шлегель Г.Г. Общая микробиология. М.,1987. С. 406).

Обогащенные питательные среды (в основном за счет крахмала зерновых) — главная причина последующих неприятностей, связанных со здоровьем животных (об этом подробнее ниже). Сейчас стало очевидным, что рубец коровы — важный участник в синтезе КЦЖК (короткоцепочечных жирных кислот), определяющих уровень энергии у животных (в том числе и для образования молока). Кроме того установлено, что рубец представляет собой ферментатор объемом 100–150 л с полунепрерывным процессом культивирования в анаэробных условиях.

В этом ферментаторе развивается микробиота рубца, которая утилизирует компоненты корма в анаэробных условиях. Конечные продукты ферментации — короткоцепочечные жирные кислоты, в том числе ацетат, пропионат, бутират. Утверждается, что соотношение этих кислот в рубце постоянно: уксусной — 50–70% от общего объема, пропионовой — 17–21%, масляной — 14–20% соответственно (по Шлегель Г.Г. Общая микробиология. М., 1987. С. 407). Но приведенное соотношение органических кислот было установлено условно и на модели рубца применительно к концентратному кормлению. В реальных же условиях скорость образования пропионата в рубце недостаточна.

Пропионат, как доказано многочисленными исследованиями, является важнейшим прекурсором глюкозы крови (глюконеогенез), а если более точно — прекурсором оксалоацетата (щавелевоуксусной кислоты), метаболита, без которого невозможно использовать ацетат в ЦТК (цикле трикарбоновых кислот) для получения энергии (рис. 1).

Рис. 1. Схема превращений, которым подвергаются питательные вещества под действием микроорганизмов

Таким образом, пропионат — ключевое звено в цепочке обеспечения коровы энергией. Отсюда можно предположить, что одной из причин появления инсулинрезистентности и метаболических нарушений обусловлен как раз дефицитом пропионата в рубце.

В этой связи нами проведен анализ вероятных причин недостаточного образования пропионата. Известно, что сырьем для синтеза пропионата является лактат (молочная кислота), который преобразуется в пропионат группой бактерий рубца из рода Clostridium (лактат-утилизаторы).

Пропионат может также образовываться при ферментации в рубце пропионовокислых бактерий, использующих в качестве субстрата глюкозу. Однако этот путь не решает проблемы.

Что касается ацетата, то его «пул» пополняется из нескольких источников. Ацетат образуется при расщеплении некрахмалистых полисахаридов в составе КЦЖК зерновых и силоса. Напомним, что силос хорошего качества содержит до 50% фруктозанов. Другой важный источник ацетата — окисление пирувата (пировиноградная кислота) в печени. И, наконец, значительный вклад в пул ацетата вносит кетоз после отела. Стоит также упомянуть возможность пополнения пула ацетата с помощью гомоацетогенеза, осуществляемого микробами, способными получить метаболическую энергию за счет восстановления CO₂ до ацетата.

Возвращаясь к причинам дефицита пропионата, мы можем предположить, что главное здесь — активность двух представителей микробного сообщества рубца — лактат-синтезаторов и лактат-утилизаторов. Последняя группа выполняет функцию синтеза пропионата (в данном случае «вторичного» метаболита) с использованием лактата в качестве субстрата для роста. В последние годы появились исследования с анализом кинетики роста микробиоты рубца. Буквально недавняя (Sinead C. Leahy et al. Electron flow: key to mitigating ruminant methanogenesis // Trends in Microbiology. Vol. 30, Issue 3. March 2022. p. 209–212) публикация утверждает: «корм, в основном полисахариды, ферментируется сообществом микроорганизмов, но относительно быстрая скорость прохождения пищеварительного тракта означает, что анаэробные микробы, разлагающие летучие жирные кислоты (ЛЖК), не могут расти с достаточной скоростью, чтобы оставаться в рубце». Это означает, что применительно к группе анаэробов — лактат- утилизаторов пропионат в качестве «вторичного» метаболита не успевает накапливаться в необходимом объеме.

Что же является лимитирующими и ингибирующими факторами роста микробиоты? Прежде всего, мы уверены, это многолетнее вынужденное культивирование десятков различных микроорганизмов рубца практически на питательной среде одного состава. То есть по принципу общепита — «первое, второе и компот». Это обязательно создает условия замедленного роста.

Проведено достаточное количество исследований по видовому составу микробиоты рубца. Многие виды описаны в определителе бактерий Bergi. Были бы интересны попытки усилить состав «корма» для обитателей рубца специфическими субстратами, способными повысить скорость их роста. Но мы не встречали таких работ. Значительным ингибирующим действием на рост микробиома обладают токсины различной природы, в том числе микотоксины и эндотоксины патогенных клостридий. В специальных опытах мы наблюдали угнетающее действие афлатоксина в минимальных дозах на рост Lactobac. acidofillus. Известно также ингибирующее действие в том числе на рост и развитие микробиоты так называемых «антипитательных факторов» корма (Панин И.Г. и соавт. Антипитательные факторы кормов, Воронеж, 2013). Все это в совокупности — «привходящие факторы», и если их не нейтрализовать, они способны свести на нет любые попытки оптимизации системы кормления коров. Но самый важный фактор управления ростом популяции — это понимание роли глюкозы. Теперь определено, что условия содержания коров (и не только) — это повышенные концентрации глюкозы на фоне использования обогащенных сред. Этот феномен был обнаружен в 60–70-е годы прошлого века и получил название «катаболитная репрессия», или глюкозный эффект. Суть явления заключается в том, что продукцирование ферментов, участвующих в катаболизме многих источников углерода, резко снижается при добавлении в среду глюкозы. Дело в том, что эволюционно у микроорганизмов выработался механизм экономного расхода субстрата. Поэтому глюкоза, как только ее концентрация в среде становится повышенной, «запрещает»   окисление   любых   соединений, синтезирующих катаболиты, получаемые при окислении глюкозы. Например, частным случаем катаболитной репрессии является так называемая «диауксия», которая предполагает, что присутствие глюкозы тормозит окисление жиров, лактозы, полисахаридов и др. Это достигается путем замедления синтеза ряда ферментов, например липаз, амилаз и др. Возникает вопрос: можно ли уйти от катаболитной репрессии? В 70-е годы этот вопрос оказался крайне актуальным для огромной индустрии продуктов «вторичного синтеза» — антибиотиков, ферментов, нуклеозидов и др. Известно, что решением стала разработка программ “feeding”, то есть дробного введения глюкозы в процессе ферментации. Автору этих строк удалось также реализовать ряд программ “feeding” в микробиологической промышленности СССР.

Понимая все негативные стороны обмена, возникающие в условиях концентратного кормления, уже в 2000-е годы компания Laval предложила технологию дробного кормления для коров. Однако ввиду технологических трудностей эта технология не получила широкого распространения.

Здесь необходим некоторый экскурс в теорию «вторичного синтеза». «Вторичные метаболиты» — это вещества, образуемые в процессе развития (культивирования) многих видов микроорганизмов, а именно в стационарной фазе, наступающей после замедления роста. Как установлено, «вторичный синтез» — это механизм утилизации избытка глюкозы и аминокислот путем образования самых различных по структуре соединений. Принято также считать, что в условиях голодания эти продукты могут быть использованы клеткой в качестве резервных. Среди продуктов «вторичного синтеза» —   огромное количество полезных для человека веществ: антибиотики, ферменты, органические кислоты, каротиноиды, нуклеозиды, пигменты и др. В то же время к «вторичным метаболитам» относятся и опасные токсины, в том числе микотоксины.

В 50–60-е годы была создана огромная по масштабам биологическая промышленность, которая на основе процесса биосинтеза производила «вторичные метаболиты». Главной задачей ученых в этой отрасли стало выявление факторов, способных определять высокую скорость роста продуктов и в дальнейшем, используя “feeding”, создать условия для пролонгации процесса «вторичного синтеза», поддерживая на постоянном уровне скорость биохимических процессов. Следует здесь отметить, что к «вторичным метаболитам» относятся продукты, получаемые путем биотрансформации, то есть ферменты, образуемые в фазе замедления роста, способны трансформировать молекулы углеводов, аминокислот в целевые продукты.

Как теперь принято считать, вещества «вторичного синтеза», который имеет место как у коров, так и у моногастричных, генерируются в рубце и кишечнике и играют важную роль в алгоритме образования молока и обеспечения моногастричных (в том числе и человека) важнейшими метаболитами для поддержания обменных процессов, а так же иммунитета. В частности, у коровы в рубце путем «вторичного синтеза» образуются два важнейших метаболита. Это лактат, синтезируемый группой лактат-синтезаторов путем окисления глюкозы, и пропионат, получаемый на его субстрате группой лактат-утилизаторов. Это и есть та самая неочевидная ценность, так называемый «спрятанный джем». Кроме того, лактат используется для синтеза пирувата (пировиноградная кислота) в печени (рис. 1). Таким образом функционирует хорошо сбалансированная цепочка реакций, которая в итоге должна обеспечить стабильный баланс между скоростью синтеза глюкозы крови (глюконеогенез) и скоростью образования прекурсора ЦТК (цикл трикарбоновых кислот) оксалоацетата с получением энергии. В нормально работающем рубце коров не должно быть молочной кислоты. А где можно найти такой рубец в условиях концентратного кормления? Как правило, мы имеем после отела все признаки ацидоза с вытекающими последствиями. Это, разумеется, не болезнь, как часто принято говорить. Это избыток нереализуемого по вышеизложенным причинам лактата. В чем причина? В избытке образуемой глюкозы, которая «наводит порядок», а именно тормозит рост лактат-утилизаторов, лактат-синтезаторов и, наконец, крахмалолитиков, тем самым снижая скорость образования самой глюкозы.

Описанный сценарий приводит к замедлению роста микробиоты рубца и, соответственно, непродолжительной фазе «вторичного синтеза». Отсюда дефицит пропионата, энергии, появление признаков инсулинрезистентности и увеличение различного рода метаболических нарушений. Сниженный рост микробиоты рубца подтверждается также несколькими известными факторами. Нами установлено, что при содержании коров на высококрахмалистых рационах их усвояемость крайне низкая (40–50%), что само по себе является экономическим нонсенсом. 

Возникает вопрос: а зачем используется такое разнообразие так называемых «защищенных» форм различных субстанций? От кого защищаться?

Далее. Имеются опубликованные в 60-е годы данные о влиянии токсинов на поголовье коров в условиях неконцентратного кормления, показывающие, что по чувствительности к токсинам коровы были на последнем месте. В настоящее время — на первом месте. Тщательный анализ вышеизложенной ситуации, проведенный нами 5–7 лет назад, привел к выводу, что какая-либо модификация концентратного кормления с использованием унифицированной питательной среды не может дать результата с увеличением скорости роста популяции. Понятно, что даже введение каких-либо субстанций в виде углеводов, которые являются предпочтительными для роста отдельных видов микробиоты, вряд ли будет эффективным, тем более с точки зрения затрат.

Нами было принято решение ограничить круг субстанций так называемыми «незаменимыми факторами роста», среди которых пищевые волокна (некрахмалистые полисахариды), смеси аминокислот, в том числе незаменимых, нуклеозидов, органических кислот ЦТК, витаминов, являющихся составной частью ключевых ферментов биогенеза молока, в том числе биотина, вит. В₁₂, антиоксидантов, эфирных масел, пробиотиков.

Каждый из этих компонентов при введении в рацион новотельных коров должен был положительно влиять на биоусвояемость рациона, надои, снижать количество метаболических нарушений и вынужденных выбраковок и др.

В итоге была составлена оптимальная композиция ингредиентов регулятора, который стал выпускаться под брендом «Полис» (сокр. от «полисахариды»). Механизм действия препарата Полис был тщательно изучен на модели рубца коров в Академии животноводства им. Тимирязева (проф. Буряков Н.П.) и описан в диссертационной работе Косолапова А.В. «Эффективность использования полисахаридов в кормлении высокопродуктивных коров» (М., 2017). Было, в частности, установлено, что Полис при минимальной дозе ввода 150 г/гол./сут. создает условия для усиления роста всей цепочки основных представителей рубцовой микробиоты, но в большей степени — лактат-утилизаторов (см. таблицу). 

Микроорганизмы в рубцовом содержимом коров, %

Установлено также, что регулятор способствует увеличению пула пропионата в рубце (рис. 2).

Рис. 2. Молярное соотношение летучих жирных кислот рубцовой жидкости коров, % (n=3)

В настоящее время регулятор Полис в сухом и жидком виде внедрен в процесс кормопроизводства в ряде хозяйств России, Белоруссии, Казахстана. В течение нескольких лет поставляется в Грецию, Болгарию, Кипр. Также установлена эффективность регулятора при откорме бычков.

Полученные «отделенные» результаты использования Полис как в сухостое, так и в процессе лактации убедительно показывают его мультивалентное действие на организм коровы. Конкретно это выражается:

– в резком снижении объема метаболических нарушений после отела;

– повышении иммунитета, что подтверждается увеличением количества иммуноглобулинов в крови, снижением соматики (вдвое), устранением маститов, эндометритов;

– усилении оплодотворяемости коров, в том числе первотелок;

– повышении биоусвояемости кормов;

– возможности использования высококрахмалистых рационов без ущерба для здоровья;

– быстром увеличении молочной продуктивности в течение транзитного периода и удержании кривой лактации после раздоя («перманентной» лактационной кривой).

Установлено, что все описанные выше эффекты зависимы от энергетического баланса в системе биогенеза молока, в свою очередь достигаемого путем выбора оптимальной дозы ввода регуляторов обмена Полис.