Russian Federation
Moscow, Russian Federation
Russian Federation
Russian Federation
Russian Federation
UDK 636.38 Породы овец других частей света
UDK 612.22 Газообмен при дыхании. Химизм дыхания
Cel' issledovaniya – izuchit' vliyanie racionov s raznym urovnem koncentratov na obrazovanie metana v organizme ovec. V stat'e predstavleny issledovaniya na ovcah romanovskoy porody s fistulami rubca v usloviyah fiziologicheskogo dvora VIZh im. L.K. Ernsta. Eksperiment proveden metodom grupp periodov. V pervyy period ovcy poluchali seno-koncentratnyy racion s soderzhaniem 20 % koncentratov, vo vtoroy – 30 % koncentratov, v tretiy – 40 % koncentratov po pitatel'nosti. Raciony dlya zhivotnyh byli sbalansirovany po pitatel'noy i energeticheskoy cennosti, urovnyu mineral'nyh veschestv soglasno normam. V rezul'tate ustanovleno, chto pri vvode 20, 30 i 40 % koncentratov v racion ovec kolichestvo vydelennogo SN4 sostavilo 21,10; 17,88 i 15,88 l/sut sootvetstvenno, t. e. povyshenie koncentratnoy chasti raciona v 2 raza sposobstvuet snizheniyu vyrabotki SN4 v ZhKT v 1,33 raza. Pokazatel' pH rubca pri racione s vvodom 20 % (p ≤ 0,01), 30 i 40 % koncentratov snizhalsya cherez 3 chasa posle kormleniya, do kormleniya mezhdu pervym i tret'im periodom uroven' pN ponizilsya s 6,71 do 6,25 (p ≤ 0,05); kolichestvo kislyh metabolitov (LZhK) uvelichivalos' s 6,65 do 7,21 Mmol'/100 ml do kormleniya i s 7,63 do 8,45 Mmol'/100 ml cherez tri chasa posle kormleniya; amiloliticheskaya aktivnost' rubca posle kormleniya postepenno uvelichivalas' s 12,73 do 14,21 pri smene raciona na bolee koncentrirovannyy. S uvelicheniem urovnya koncentratov snizilos' kolichestvo metanogenov Methanobrevibacter smithii, Methanosphaera stadtmanae kak v rubce, tak i v tolstom otdele kishechnika.
nutrition, sheep, concentrates, microbiome, methanogens, greenhouse gases, methane, metabolism
Введение. В процессе ферментации корма в рубце образуются газы, основные из которых углекислый газ (СO2), метан (CH4), водород (H2), азот (N2) и сероводород (H2S). Метан является естественным побочным продуктом микробной ферментации углеводов и в меньшей степени аминокислот в рубце. Синтез метана предположительно служит для выравнивания окислительно-восстановительного баланса, и его выход может варьироваться у разных животных, несмотря на одинаковые условия кормления [1].
Метан играет важную роль в круговороте углерода в природных средах, и его преобладающим источником является продукция метаногенных архей [2]. Большинство метаногенов удаляют газообразный водород путем восстановления CO2 газообразным H2 с образованием метана [3]. Синтез метана позволяет избежать накопления H2, который подавляет нормальную функцию микробных ферментов, участвующих в переносе электронов [4]. Предполагалось, что если бы жвачные животные вовсе не производили метан, то pH рубца неуклонно бы снижался и ухудшилось бы переваривание клетчатки [5].
При увеличении количества концентратов (особенно содержащих крахмал) в рационе снижается количество целлюлозолитических бактерий и увеличивается количество амилолитических бактерий за счет изменения соотношения субстратов [6, 7]. Из-за изменения соотношения летучих жирных кислот (ЛЖК) уменьшается количество водорода, доступного метаногенным археям, и снижается pH рубца, что еще больше ингибирует (снижает) популяции целлюлозолитических бактерий, простейших и метаногенов [8, 9].
Если бы метаногенез был ингибирован и доступный H2 был перенаправлен на альтернативные метаболические пути, дающие энергию, можно было бы ожидать увеличения продуктивности. Таким образом, снижение выработки CH4 потенциально может улучшить продуктивность при том же энергетическом потреблении животным, при условии, что метаболизм в рубце не будет нарушен.
Цель исследования – изучить влияние рационов с разным уровнем концентратов на образование метана в организме овец.
Объект, материал и методы. Исследование было проведены методом групп-периодов на овцах романовской породы в возрасте 2 лет, в количестве 6 голов с живой массой 36–42 кг, с хроническими фистулами рубца по Басову в условиях физиологического двора ФГБНУ ФИЦ ВИЖ им. Л.К. Эрнста.
Животным 1-го периода скармливали 20 % концентратов, 2-го – 30, 3-го периода 40 % концентратов. Основной рацион (ОР) соответствовал по показателям энергетической и питательной ценности требованиям для данного возрастного и весового показателя животных (Калашников А.П. и др., 2003). Анализ показателей рубцовой ферментации проводили в отделе физиологии и биохимии ВИЖ им Л.К. Эрнста.
Для характеристики рубцового пищеварения у животных брали пробы содержимого рубца за 1 ч до кормления и через 3 ч после кормления для определения следующих показателей: рН, общее количество ЛЖК – методом паровой дистилляции в аппарате Маркгама; амилолитическая активность – фотометрическим методом.
В конце каждого балансового опыта у всех животных (n = 6) отбирались пробы рубцового и содержимого толстого отдела кишечника для генетического исследования толстокишечной и рубцовой микробиоты. Использовали метод ПЦР-РВ с флуоресцентной детекцией. Для этого применяли комплект реагентов «Колонофлор-16 (премиум)» ООО «Альфалаб» (Россия, г. Санкт-Петербург) в соответствии с инструкцией производителя в модицификации лаборатории фундаментальных основ питания сельскохозяйственных животных и рыб ФГБНУ ФИЦ ВИЖ им. Л.К. Эрнста при сотрудничестве с лабораторией молекулярной генетики сельскохозяйственных животных ФГБНУ ФНЦ ВИЖ им. Л.К. Эрнста.
Интерпретацию результатов амплификации осуществляли с использованием программного обеспечения, входящего в состав набора «Колонофлор-16 (премиум)», согласно инструкции производителя.
Выделение метана учитывалось в метаболических камерах открытого типа. Для изучения газообразования животное помещалось в камеру и содержалось в ней в течение 2 смежных суток. Камеру открывали в 9-00 и 16-00 для раздачи концентрированных и грубых кормов.
Полученные в опыте материалы обработаны биометрически с использованием метода дисперсионного анализа (ANOVA), посредством программы STATISTICA, version 13 Ru, StatSoft, Inc., 2011 (www.statsoft.com). При этом вычислены следующие величины: среднеарифметическая (М), среднеквадратическая ошибка (±m) и уровень значимости (р). Результаты исследований считали высокодостоверными при р ≤ 0,001 и достоверными при р ≤ 0,01 и р ≤ 0,05. При р ≤ 0,1 до р ≥ 0,05 – тенденция к достоверности полученных данных. При р ≥ 0,1 разницу считали недостоверной.
Результаты и их обсуждение. Высокий уровень концентратов в рационах (свыше 50 %) взрослых жвачных является физиологически противоестественным, так как нарушает процессы рубцового пищеварения и повышает заболеваемость [10].
В наших исследованиях показатели рубцового метаболизма у исследуемых овец отображены в таблице 1.
В текущем эксперименте pH при рационе с вводом 20 % (p ≤ 0,01), 30 и 40 % концентратов снижался через 3 ч после кормления. Также наблюдается постепенное повышение кислотности рубцового содержимого до кормления между первым и третьим периодом, где уровень pН понизился с 6,71 до 6,25 (p ≤ 0,05). Помимо снижения pН, можно отметить увеличение количества кислых метаболитов (ЛЖК) с 6,65 до 7,21 Ммоль/100 мл до кормления и с 7,63 до 8,45 Ммоль/100 мл через 3 ч после кормления.
Образование ЛЖК в рубце тесно связано с производством метана [11]. ЛЖК могут оказать влияние на снижение pH ферментации до уровня ниже 6,0, тем самым подавляя пролиферацию метаногенных микроорганизмов. Правильное распределение ЛЖК для различных физиологических процессов обеспечивает эффективное использование энергии и поддерживает рост, воспроизводство, продуктивность и выбросы метана [12].
Таблица 1
Показатели рубцового метаболизма у овец (n = 6)
|
Группа |
Время взятия проб |
|
|
до кормления |
3 ч после кормления |
|
|
Показатель pH |
||
|
20 % концентратов |
6,71 ± 0,09 |
6,28 ± 0,09** |
|
30 % концентратов |
6,68 ± 0,07 |
6,31 ± 0,16 |
|
40 % концентратов |
6,25 ± 0,08* |
6,26 ± 0,04 |
|
ЛЖК, Ммоль/100мл |
||
|
20 % концентратов |
6,65 ± 0,47 |
7,63 ± 0,58 |
|
30 % концентратов |
6,80 ± 0,39 |
7,99 ± 0,46 |
|
40 % концентратов |
7,21 ± 0,33 |
8,45 ± 0,13 |
|
Амилолитическая активность, Е/мл |
||
|
20 % концентратов |
12,73 ± 0,66 |
|
|
30 % концентратов |
13,00 ± 1,03 |
|
|
40 % концентратов |
14,21 ± 0,33 |
|
*р ≤ 0,05;**р ≤ 0,01.
Таким образом, в нашем исследовании по мере повышения процента концентратов в рационе 2-летних овец повышается кислотность рубцовой жидкости в пределах нормы и общее количество летучих жирных кислот, что применимо при концентрированном типе кормления.
Амилолитические бактерии, в основном стрептококки, представлены в рубце многочисленной группой. В наших опытах амилолитическая активность рубца после еды постепенно увеличивалась с 12,73 до 14,21 при смене рациона на более концентрированный.
Производство метана в рубце в первую очередь связано с метаболической активностью метаногенных архей, вырабатывающих метан в качестве побочного продукта. Основные виды метаногенных архей: Methanobrevibacter smithii, Methanosphaera stadtmanae, Methanomirobium mobile и Methanosarcina spp. [13]. Эти археи используют H2, CO2 и метанол для синтеза метана [14, 15].
В наших исследованиях с увеличением уровня концентратов снижается количество Methanobrevibacter smithii, Methanosphaera stadtmanae как в рубце, так и в кишечнике (рис. 1).
Наиболее зависящими от концентратного типа кормления оказались Methanobrevibacter smithii. Их количество заметно сократилось в рубцовом содержимом при вводе 40 % концентратов, а в кишечном содержимом начиная с ввода 30 и 40 % концентратов. Methanosphaera stadtmanae оказались более устойчивыми к повышению уровня вводимых концентратов, что требует дальнейшего изучения.
Изучение выделения метана из организма овец при различном уровне концентратов в рационе показало, что при увеличении доли концентрированных кормов снижается выделение метана и углекислого газа из организма животных в результате количественного изменения метаногенов в ЖКТ овец (табл. 2).
Содержание метаногенов
Таблица 2
Выделение метана из организма овец при различных уровнях концентратов в рационе
|
Группа |
Выделение СН4, л/сут |
|
20 % концентратов |
21,10±0,33 |
|
30 % концентратов |
17,88±0,35 |
|
40 % концентратов |
15,88±0,15 |
При вводе 20, 30 и 40 % концентратов в рацион овец количество выделенного СН4 составило 21,10; 17,88 и 15,88 л/сут соответственно. Повышение концентратной части рациона в 2 раза способствует снижению выработки СН4 ЖКТ в 1,33 раза.
Заключение. Увеличение в рационах романовских овец концентратов оказало влияние на рубцовое пищеварение: показатель pH при рационе с вводом 20 % (p ≤ 0,01), 30 и 40 % концентратов снижался через 3 ч после кормления, до кормления между первым и третьим периодом уровень pН понизился с 6,71 до 6,25 (p ≤ 0,05); количество кислых метаболитов (ЛЖК) увеличивалось с 6,65 до 7,21 Ммоль/100 мл до кормления и с 7,63 до 8,45 Ммоль/100 мл через 3 ч после кормления; амилолитическая активность рубца после еды постепенно увеличивалась с 12,73 до 14,21 при смене рациона на более концентрированный. Повышение в рационах овец концентратов с 20 до 40 % способствует снижению выработки СН4 ЖКТ в 1,33 раза за счет снижения количества метаногенов Methanobrevibacter smithii, Methanosphaera stadtmanae как в рубце, так и в кишечнике.
1. Samal L., Dash S.K. Nutritional Interventions to Reduce Methane Emissions in Ruminants // Animal Feed Science and Nutrition-Production, Health and Environment. IntechOpen, 2022. DOI:https://doi.org/10.5772/intechopen.101763.
2. Hydrogenotrophic methanogenesis in archaeal phylum Verstraetearchaeota reveals the sha-red ancestry of all methanogens / B.A. Ber-ghuis [et al.] // Proceedings of the National Academy of Sciences. 2019. № 11. P. 5037–5044.
3. The rumen microbiome: a crucial consideration when optimising milk and meat production and nitrogen utilisation efficiency / C. Matthews [et al.] // Gut microbes. 2019. № 2. P. 115–132. DOI:https://doi.org/10.1080/19490976.2018.1505176.
4. Microbial ecosystem and methanogenesis in ruminants / D.P. Morgavi [et al.] // Animal. 2012. № 5. P. 1024–1036. DOI:https://doi.org/10.1017/S175173111 0000546.
5. Methane inhibition alters the microbial community, hydrogen flow, and fermentation response in the rumen of cattle / G. Martinez-Fernandez [et al.] // Frontiers in Microbiology. 2016. № 7. P. 1122. DOI:https://doi.org/10.3389/fmicb.2016. 01122.
6. Subacute ruminal acidosis challenge changed in situ degradability of feedstuffs in dairy goats / F. Li [et al.] // Journal of Dairy Science. 2014. № 8. P. 5101–5109. DOI:https://doi.org/10.3168/jds. 2013-7676.
7. Characterization of rumen bacterial diversity and fermentation parameters in concentrate fed cattle with and without forage / R.M. Petri [et al.] // Journal of Applied Microbiology. 2012. № 6. P. 1152–1162. DOI:https://doi.org/10.1111/j. 1365-2672.2012.05295.x.
8. Enteric methane mitigation strategies in ruminants: a review / Ribeiro L.G. Pereira [et al.] // Revista Colombiana de Ciencias Pecuarias. 2015. № 2. P. 124–143. DOI:https://doi.org/10.17533/udea. rccp.v28n2a02.
9. Enteric methane mitigation interventions / J.Q. Fouts [et al.] // Translational Animal Science. 2022. № 2. txac041. DOI:https://doi.org/10.1093/tas/ txac041.
10. Pogosyan D.G., Gadzhimusaev R.S. Fiziologi-cheskie osobennosti molodnyaka ovec pri rannem intensivnom otkorme // Problemy biologii produktivnyh zhivotnyh. 2017. № 3. S. 77–86.
11. Measuring methane production from rumi-nants / J. Hill [et al.] // Trends in Biotechnology. 2016. № 1. P. 26–35.
12. González L.A., Kyriazakis I., Tedeschi L.O. Review: Precision nutrition of ruminants: Approaches, chalenges and potential // Animal. 2018. P. 246–261.
13. Archaea are interactive components of complex microbiomes / C. Moissl-Eichinger [et al.] // Trends Microbiol. 2018. Vol. 26. P. 70–85.
14. Welander, P.V., Metcalf, W.W. Loss of the mtr operon in Methanosarcina blocks growth on methanol, but not methanogenesis, and reveals an unknown methanogenic pathway // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2005. Vol. 102. P. 10664–10669.
15. Diverse hydrogen production and consumption pathways influence methane production in ruminants / C. Greening [et al.] // ISME J. 2019. Vol. 13. P. 2617–2632.
