Применение органических кислот в животноводстве

Устойчивость многих микроорганизмов к антибиотикам – хорошо известная проблема в животноводстве. В тоже время необходимость борьбы с энтеропатогенами в животноводстве, без использования антибиотиков, является главной задачей всех развивающихся стран мира. Эта проблема диктуется тем, что устойчивость к антибиотикам подвергает опасности возможность лечить целый ряд инфекционных заболеваний животных, а также создание медицинских и ветеринарных методик, которые частично зависят от возможности контролировать инфекцию.

Если просмотреть на опубликованные в Великобритании данные по сальмонеллезу, то можно увидеть опасные уровни устойчивости этого опасного заболевания по отношению к целому ряду используемых антибиотиков.



В этой диаграмме видно, что такой антибиотик как тетрациклин оказался практически неэффективным, так как более чем в 80% случаев развивалось инфекционное заболевание у свиней. Сальмонелла оказалась устойчивой и к такому антибиотику как стрептомицин. Но пока только в 30% случаев заболеваний сальмонеллезом у кур этот антибиотик оказался малоэффективным.

Самым интересным фактом в этих исследованиях является то, что устойчивость к антибиотикам при сальмонеллезе, за исключением кормов, является очень низкой, что очень характерно для крупного рогатого скота и это указывает, что он не может быть источником инфекции. В хозяйствах Великобритании уровень загрязнения кормов очень низкий: в гранулированных около 0,5% и 1,3% в сыпучих кормах.

С целью улучшения здоровья животных мы должны постоянно вести наблюдение за резистентностью их организма, более осторожно использовать антибактериальные препараты и совершенно исключить ненужные или малоэффективные антибиотики. Конечной целью должно быть достижение эффективного контроля над инфекцией, применяя вместо антибиотиков альтернативные препараты. И это является важнейшим для повышения эффективности отрасли животноводства.

Многие медицинские исследования в Европе (1980 - 1990 гг.) были сосредоточены на проблеме сальмонеллеза, но с появлением веротоксина, приводящего к колибактериозу 0157:Н7, большее внимание было направлено на изучение этих бактерий. С 2000 года и по настоящее время основное внимание обращается на биологические виды кампилобактерий, которые в большей мере, чем сальмонелла, вызывают заражение пищи.

Но, тем не менее, новый штамм сальмонеллы у птицы, S. heidelberg, стал причиной многих проблем в данной отрасли. Этот штамм распространен и у селекционного поголовья индеек, где его, как оказалось, очень трудно искоренить.
Как пример необходимости найти альтернативу антибиотикам, можно рассмотреть недавнее открытие в США.

Беременным женщинам со слабой иммунной системой или с ее другими серьезными заболеваниями, для лечения инфекции кампилобактерий назначали антибиотики, но фторхинолоны, антибиотики, используемые для лечения инфекции, оказались гораздо менее эффективными, чем раньше. Предполагаемая причина – фторхинолон (т.е. энтрофлоксацин «Байтрил»). Он был одобрен для использования в лечении инфекции у кур в 1995 году, поэтому мог ускорить появление штаммов, устойчивых к антибиотикам. Тесты, проведенные департаментом, обнаружили, что 79% тушек кур, взятых в супермаркетах, были заражены кампилобактерией и 20% из них – штаммами, устойчивыми к антибиотикам. Около 58% тушек индеек тоже оказались инфицированными, и 85% из них – штаммами, устойчивыми к антибиотикам.

Самые недавние исследования обнаружили кампилобактерии в легких, на коже, в мочеполовых органах птиц, что практически невозможно устранить путем применения кормовых добавок, поэтому требуется ветеринарное вмешательство. Инфицирование птицы может происходить как трансовариальным путем, так и во время транспортировки. В обоих случаях кампилобактерии будут инфицировать дыхательную систему и могут инфицировать органы брюшной полости. При этом забитая птица, ее тушка может поражаться уже во время ошпаривания.

Самые распространенные серотипы сальмонеллы, вызывающие заражение пищи - Salmonella enteritidis и Salmonella typhimurium DT104. Что интересно, сальмонеллы, найденные у птицы, как правило, не относится к этим двум серотипам, они принадлежат к видам, которые менее вредны.

Вакцины против сальмонеллы и колибактериоза сейчас разрабатываются, но они очень дорогостоящие, даже для крупных птицеводческих предприятий. Очень важно то, что вакцинация птицы против одного вида может привести к образованию другого. Например, уничтожение штамма Salmonella gallinarum у поголовья птицы Европейского сообщества привело к образованию Salmonella enteritidis, патогена, уже опасного и для человека.

 

Рисунок А. Инфекция S.gillinarum у кур в Англии и Уэльсе (закрытые площади) и Германии (открытые площади).

Рисунок В. Случаи инфекции S. enteritidis у людей за год, зарегистрированные в Англии и Уэльсе (закрытые площади) и Германии (открытые площади).

Большая вероятность того, что уничтожение S. enteritidis может привести к образованию S. heidelberg. Иными словами, это процесс конкурентного исключения в обратном порядке, т.е. убивая один организм, второй – занимает полезную окружающую среду.

Вакцинация имеет и другой побочный эффект. Чтобы стимулировать иммунитет, нужно ввести антиген птице (ослабленный живой или мертвый штамм сальмонеллы). Только тогда птица вырабатывает ответную защитную реакцию, что совершенно неэкономно, так как приходится вводить антигены на протяжении всей жизни птицы. А это может потребовать дополнительных затрат энергии, что может привести к нежелательным последствиям в развитии птицы.

Пробиотики – это источники молочнокислых бактерий, которые способны бороться с патогенами и физически или химически их уничтожать.  В дальнейшем, после пробиотиков, предусматривается использование пребиотиков; этот метод основывается на том, что однодневным цыплятам делают прививку ряда бактерий, которые в последствии способствуют здоровой и продуктивной жизнедеятельности. Оба эти биологические процессы с большим успехом показали себя при испытаниях, однако, к сожалению, очень широкий спектр изменчивых факторов промышленного птицеводства снижает уверенность в их эффективности, поскольку они часто обманывают ожидания.

Но почему же пробиотики не эффективны на 100%? Кислотность переднего отдела кишечника наиболее оптимальна для развития бактерий, толерантных к кислоте, поэтому молочнокислые бактерии, а следовательно и пробиотики, охотно колонизируют этот участок. Однако сальмонелла, которую нам и необходимо контролировать, как правило, не образует колоний в этой области кишечника. Для роста сальмонеллы в большей мере подходит нейтральная среда слепой кишки. Пребиотики вполне успешно существуют в слепой кишке, так как они производят большее количество бактерий, чем обычный пробиотик, следовательно, эти бактерии имеют тенденцию поддерживать друг друга. Обычно пребиотиков существует сотни видов. Поддерживая микрофлору, толерантную к кислоте, некоторые из них сами вырабатывают органические кислоты, что дает возможность изменять кишечный рН и уничтожать патогены.

Большинство бактерий, найденных в пребиотиках в здоровом кишечнике, являются грамположительными видами. Антибиотики обычно действуют подавляюще на грамположительные бактерии и, следовательно, не совместимы с пребиотиками.

Мы должны также изучить бактерии, которые вовлечены в инфицирование кишечника, включая их взаимодействие с такими условиями окружающей среды, как рН. Это является основанием для включения органических кислот в состав рациона. Вместе с тем, некоторые из логических заключений, построенных в пользу применения в рационах органических кислот, основаны только на лабораторных исследованиях, а потому могут ввести в заблуждение.

Такого вещества как подкислитель корма не существует. Опубликованные данные о буферной емкости разных питательных веществ определили, что вам потребуется 25 литров 1М соляной кислоты (желудочного сока) на тонну корма, чтобы понизить его рН  в желудке до уровня 3.0. Многие потенциальные энтеропатогены уничтожаются при уровне рН 3.0, т.е. в желудке моногастричных и в зобе/втором желудке птиц.

Буферная емкость разных питательных веществ

Соляная кислота при использовании ее на комбикормовом заводе может быть высоко коррозийной, поэтому нужно выбирать слабее или менее коррозийные органические кислоты. Тем не менее, чтобы вычислить процент добавления органических кислот, нужно увеличить норму соляной кислоты примерно до 250 кг/т для снижения рН до того же уровня. В рационах для производителей, несушек или лактирующих свиноматок проблема стоит более остро из-за высокого содержания в них кальция, часто в форме щелочной соли карбоната кальция (известняка), который может удвоить или утроить буферную емкость корма.

Но это не означает, что мы не можем использовать органические кислоты для защиты животных. Большинство современных исследований поддерживают использование органических кислот как стратегическую альтернативу контроля энтеропатогенов. Тем не менее, органические кислоты имеют лимит практического использования.  Главным лимитирующим фактором в использовании этих ингредиентов является, по сути, их натуральность. Следовательно, ферментные системы, функционирующие в желудочно-кишечном тракте животного, метаболизируют эти органические кислоты и делают их бесполезными.

Но иногда они все же работают, поэтому, кроме того, что они подкисляют корм или кишечник, они должны иметь и другие функции. Например, кислоты очень хорошо работают, когда совмещаются с пробиотиками.

Одна из самых важных групп бактерий в желудочно-кишечном тракте – молочнокислые бактерии – пробиотики. Эти бактерии вырабатывают большое количество молочной кислоты, которая способствует росту других видов, таких как Bifidobacteria, Propionibacteria, Butyrivibrio и Roseburia, поддерживающих ферментативное брожение и вырабатывающих органические кислоты. Они обычно колонизируются в кишечнике, но нуждаются в слабокислой среде и высоко буферизированных кормах, поддерживающих среду в кишечнике от нейтральной до щелочной.

Органические кислоты влияют на кишечную палочку и другие энтеропатогенные инфекции. Имеются данные, свидетельствующие о том, что они могут работать, и во многих случаях – очень эффективно, поэтому для применения их с большей пользой нужно изучить их принцип действия.

Были проведены опыты с добавлением муравьиной кислоты в питьевую воду, но никакого действия на уровень загрязнения корма выявлено не было, в тоже время удалось снизить загрязненность самой воды. Действие кислоты оказалось не эффективным в кишечнике, так как молекулы кислоты слишком маленькие и не имеют для птицы никакой энергетической ценности, поскольку быстро всасываются стенками кишечника и также быстро выводятся.  Эта выделительная функция делает невозможным попадание кислоты в тонкий кишечник, где всегда существует вероятность развития кишечной палочки и других энтеропатогенов.

Пропионовая кислота вместе с другими органическими кислотами (масляной, молочной и др.) имеет энергетическую ценность и усваивается как промежуточное соединение при нормальном обмене веществ, опять-таки предотвращая попадание этих кислот в тонкий кишечник, слепую кишку и толстый кишечник, где развивается кишечная палочка. Таким образом, если есть возможность уберечь эти кислоты от немедленного усвоения, то и есть возможность провести их через весь кишечник.

Теоретически, защитить органические кислоты можно с помощью инкапсуляции, но технология и материалы для этого пока не соответствуют коммерческому спросу. Поэтому, был найден многослойный минеральный носитель без буферной емкости, который может стать идеальным проводником органических кислот в пищеварительном канале. Этот «умный» носитель имеет то дополнительное преимущество, что действует как поддерживающий субстрат для симбиотических бактерий, но, правда, только в том случае, если кислоты в продукте буферизованы на подходящем уровне для их нормального роста.

1. Корм. В корме кислота предотвращает заражение сальмонеллой или кишечной палочкой.
2. Тонкий кишечник. В тонком кишечнике кишечную палочку вытесняют другие виды, толерантные к кислоте.
3. Слепая кишка/прямая кишка. В слепой кишке формируется микрофлора, полностью толерантная к кислоте. 

Матрица носителя насыщена буферизированной кислотой.

Lactobacillus: углевод   ⇒   молочная кислота

Propionibacteria: молочная кислота   ⇒   пропионовая и уксусная кислоты
Butyrivibrio: клетчатка   ⇒   масляная и уксусная кислоты

После серии экспериментов кислотные смеси, были буферизированы до рН 4.0. Поэтому защитной системой, следовательно, является физическая матрица, а кислоты буферизированы к данному рН с тем, чтобы дать возможность молочнокислым бактериям заселять носитель. С помощью этой технологии все преимущества кислот, пробиотиков и пребиотиков могут быть реализованы вместе.

Молочнокислая бактерия на подкисленном минеральном носителе

Используя защищенные органические кислоты для колонизации молочнокислых бактерий, мы можем непосредственно влиять на микробную колонизацию в задней части кишечника и, как результат, на снижение рН в кишечнике (Касарин и Форат, 1995).

Рисунок С. рН кишечника на 35-й день.

Воздействие рН на рост микрофлоры кишечника

После того как популяция микроорганизмов приспосабливается к кислотному брожению, преобладающая популяция перемещается от быстрорастущих энтеропатогенов, таких как кишечная палочка, к популяции Lactobacillus, Butyrivibrio и Propionibacteria, которые растут более медленно, а, следовательно, снижается численность популяции энтеропатогенов во всем кишечнике.

Рисунок D. Подсчет бактерий на 35-й день.

Снижение числа бактерий уменьшает угрозу заболевания, тем самым, сокращая смертность животных и птицы, и оба эти фактора подтверждены исследованиями. Патогенная микрофлора уничтожает в кишечнике ворсинки, участвующие во всасывании питательных веществ и воды, необходимых для роста.

Таким образом доказано, что органические кислоты являются одним из ключевых факторов успеха
как сами по себе, так и в комплексе с другими веществами.

Снижение числа патогенов позволяет ворсинкам полноценно развиваться, что приводит к увеличению всасывающей поверхности кишечника, которая, в свою очередь, уменьшает потребность в использовании антибиотиков - стимуляторов роста.