Снижение продуктивности и долголетия коров часто обусловлено отсутствием передовых научных технологий консервирования кормов.
В прошедшие десятилетия во многих европейских странах резко снизилось финансирование исследований по консервированию кормов. Ряд институтов с высокой международной репутацией был закрыт.
Разница в подходе
Отечественные ученые при создании заквасок традиционно ориентируются на принятое у нас промышленное масштабное животноводство. Ведь при таком размахе, как у нас в стране, крайне актуальна проблема высокой контаминантной и токсической нагрузки на корма и сырье для них, а также циркуляции патогенов по технологической цепи на предприятиях.
Разработчики европейских препаратов для силосования опираются на другую базу – средний размер фермы в Европе, по данным IFCN, составляет 18 коров. На фоне неукоснительно соблюдаемых в Европе агротехнических приемов (системы севооборотов и пр.), проблемы поражения корма микотоксинами и патогенами гораздо менее значимы. Это определило стратегию селекции штаммов бактерий в составе заквасок в Европе, которую вполне достаточно вести исключительно в направлении высокого титра.
Штаммы бактерий для реалий отечественной действительности должны обладать целым комплексом свойств. Это несоответствие предлагаемого продукта и потребностей реальной действительности повлекло серьезные проблемы качества и гигиены силоса у нас в стране.
Выдержать конкуренцию
Силос – это среда с почти экстремальным уровнем кислотности и высоким осмотическим давлением. Так, рекомендуемая ФНЦ «ВИК им. В.Р.Вильямса» минимально допустимая концентрация сухого вещества (СВ) при закладке в траншею для тимофеевки луговой должна составлять не менее 30%, для люцерны – не менее 38%. Выживать и размножаться в такой агрессивной среде могут только высококонкурентные штаммы. Ведь местные эпифитные микроорганизмы наверняка будут превосходить бактерии в составе заквасок по скорости роста и приспособленности к условиям обитания.
Использование молекулярно-биологических возможностей отечественной компании «БИОТРОФ» сделало работу по селекции и изучению механизмов действия штаммов бактерий в составе заквасок еще более результативной. Был разработан ряд революционных биоконсервантов, каждый из которых имеет масштабное научное досье, обосновывающее дифференцированное управление микробными представителями силоса и другие полезные свойства.
Яркий пример – жидкая закваска Биотроф-111 на основе штамма бактерии Bacillus subtilis 111. Для детального изучения всех свойств штамма бактерии в составе биопрепарата был применен инновационный метод полногеномного секвенирования, который позволил оценить функцию каждого гена в составе генома и описать все механизмы действия и биологический потенциал на молекулярном уровне. Этого не может предложить ни одна компания, распространяющая закваски в России.
Оказалось, что значительная часть генома бактерии B. subtilis 111 приходится на долю генов, связанных с повышенной устойчивостью к неблагоприятным факторам внешней среды. Аннотация генома с использованием базы данных RAST предсказала активацию 106 генов, отвечающих за адаптацию к неблагоприятным внешним воздействиям, включающим повышенное осмотическое давление, окислительный и токсический стресс, холодовой шок, снижение питательных веществ в силосе (табл. 1).
В частности, одним из механизмов адаптации у штамма B. subtilis 111 оказался механизм синтеза вещества глицин бетаина, являющегося очень эффективным осмопротектором, который накапливается в высоких концентрациях в ответ на повышение осмотического давления. Глицин бетаин в клетках синтезируется из холина по двухступенчатому пути под действием ферментов холин дегидрогеназы и бетаин альдегид дегидрогеназы (рис . 1).
Присутствие в геноме B. subtilis 111 группы генов семейства cspA, которые активируются в ответ на понижение температуры, позволяет клеткам адаптироваться к низким температурам и выживать при подмораживании силосной траншеи в течение зимнего сезона, что очень важно для большинства регионов на территории нашей страны.
Одного лактата недостаточно!
Пересмотр традиционных представлений о микробиологических процессах при ферментации силоса с помощью молекулярно-генетических методов привел к обнаружению большого количества некультивируемых бактерий. Такое название вовсе не означает, что их принципиально невозможно культивировать. Правильнее понимать, что их пока и не пытались выращивать на питательных средах. Представив, что разнообразие существующих питательных сред и условий для культивирования бактерий на самом деле невелико, можно предположить, что обнаружение таких бактерий не является таким уж удивительным открытием.
Оказалось, что до 60% микроорганизмов силоса могут составлять бактероиды. Эти микроорганизмы утилизируют сахара, что создает конкуренцию лактобактериям за питательные вещества и препятствует подкислению, а также разлагают крахмал, что снижает питательность корма. Эти бактерии крайне кислотоустойчивы, в частности, проявляют толерантность к высоким концентрациям молочной кислоты, хорошо растут при pH ниже 4,0. Кроме того, бактероиды анаэробны. Поэтому сдерживать их развитие в силосе не смогут ни бескислородные условия, ни продуценты исключительно молочной кислоты. На ограничение их роста способны оказать влияние только бактерии в составе заквасок, синтезирующие особые натуральные антимикробные вещества – бактериоцины.
Более того, в силосе, заложенном в траншеях животноводческих хозяйств нашей страны, способны выживать возбудители опасных заболеваний крупного рогатого скота: фузобактерии, стафилококки, кампилобактерии. Доказано, что при попадании в рубец их численность увеличивается, затем инфекция распространяется на вымя, копыта, репродуктивную систему. В отношении противодействия развития этих микроорганизмов также эффективно работают бактериоцины.
При проведении полногеномного секвенирования, оказалось, что геном штамма B. subtilis 111 в составе закваски Биотроф-111 содержит массив кластеров генов, которые производят несколько бактериоцинов с выраженной антимикробной активностью. Широкий спектр антибактериальной активности в отношении бактероидов, клостридий, энтеробактерий, фузобактерий объясняется синтезом бактериоцинов диффицидина, бициллина, макролактина, бацилизина, бациллибактина.
Активность штамма в отношении плесневых грибков-продуцентов микотоксинов обусловлена, главным образом, нерибосомно синтезированным циклическим липопептидом фенгицином. Неудивительно, что диаметр зон задержки роста грибков-продуцентов микотоксинов при проведении тестов на чашках Петри составляет для Penicillium sp. – 35 мм, Aspergillus sp. – 24 мм, Fusarium sp. – 37 мм.
Интересно, что полученные результаты были подтверждены аналитическими методами. Была проведена идентификация спектра низкомолекулярных летучих соединений штамма бактерии B. subtilis 111 методом газожидкостной хроматомасс-спектрометрии (ГЖХ-МС). Для проведения ГЖХ-МС использовали хроматограф газовый GCMS-QP2010 Plus, (Япония), сер. № С 705045760116/C11344400850 с капиллярной колонкой Ultra-2 (25 M х 0.25 мм).
Результаты показали, что в экстракте культуральной жидкости штамма бактерии B. subtilis 111 было обнаружено 62 различных низкомолекулярных летучих биологически активных вещества, обладающих антимикробными свойствами (рис. 2).
Счет на часы
Быстрое снижение уровня рН силоса – это тоже один из важнейших критериев для оценки эффективности консерванта. Первые сутки силосования – это аэробная фаза развития корма, которая является критическим периодом в становлении микробиоты силоса. В этот период происходит бурное развитие аэробных микроорганизмов, прежде всего, дрожжей, вызывающих аэробное поражение кормов при выемке, и плесневых токсинопродуцирующих грибков, снижающих питательность.
В ФНЦ «ВИК им. В.Р.Вильямса» Ю.А.Победновым были проведены многочисленные эксперименты по анализу эффективности силосной закваски Биотроф-111. На рисунке 3 отражены результаты одного из сравнительных исследований, касающегося оценки скорости подкисления кормовых культур различного уровня силосуемости, подвяленных до содержания СВ 29,4-40,2%. Силос консервировали без добавок, а также с применением препарата Биотроф-111.
Судя по быстрому подкислению корма уже в первые сутки ферментации, применение препарата Биотроф-111 оказалось эффективным при консервировании всех исследованных культур, даже трудносилосуемой люцерны. От скорости подкисления растительной массы напрямую зависит качество консервирования корма. Поэтому при применении закваски Биотроф-111 происходило сокращение количества аммиака и сведение к минимуму опасности образования в силосе масляной кислоты.
Косвенным показателем более эффективного протекания процесса брожения в силосе, законсервированном с закваской Биотроф-111, явилось очевидное снижение распада питательных веществ до газообразных продуктов, о чем свидетельствовал меньший объем выделившихся газов.
В то же время, на отечественном рынке получили широкое распространение закваски на основе высушенных штаммов лактобактерий. Лиофильное высушивание – это стресс для молочнокислых бактерий, которые не образуют эндоспор, позволяющих сохранять жизнеспособность при воздействии неблагоприятных факторов. Штаммы, входящие в состав таких препаратов, медленно восстанавливают свою жизнеспособность в силосе, а активность генов синтеза молочной кислоты не могут реанимировать и вовсе. Это позволяет конкурентной микробиоте быстро вытеснить такие закваски из силоса, несмотря на высокие вносимые титры.
Жидкая закваска Биотроф-111, содержащая штаммы в физиологически активном состоянии, не имеет отсроченного действия, подавляя нежелательную микробиоту уже в первые часы после внесения в силосную массу.
Обезвреживание токсинов
В предыдущих публикациях мы подробно рассматривали проблему распространения микотоксинов в силосе в Российской Федерации. Напомним, что проблема в нашей стране оказалась очень острой для всех регионов. Например, уровень превышения ПДК охратоксина А в силосе на некоторых фермах Северо-Западного региона достигал 54,4 раз.
Именно поэтому селекция штамма бактерии B. subtilis 111 в составе закваски Биотроф-111 велась и в направлении возможности биодеструкции микотоксинов. Как показала расшифровка генома, способность B. subtilis 111 к биотрансформации токсинов до безопасных соединений связана с высокой лабильностью его метаболизма: огромным разнообразием ферментных систем, синтезом органических кислот и других активных соединений.
Мы провели сравнение количества микотоксинов в злаково-бобовом силосе, заложенном в животноводческих хозяйствах нашей страны. Силос был заготовлен с жидкой закваской Биотроф-111 (40 образцов), высушенными консервантами зарубежного производства (16 образцов), химическим консервантом (17 образцов), а также без добавок (142 образца).
В связи с тем, что сложные комбинации токсических грибковых метаболитов формируются уже в поле на вегетирующих растениях, присутствие микотоксинов было обнаружено во всех пробах (рис. 4). Однако наименьшее среднее содержание микотоксинов было выявлено в образцах силоса, заготовленного с использованием жидкой закваски Биотроф-111, по сравнению с образцами силоса, заложенного без заквасок, а также с химическим и высушенными биологическими консервантами.
Причины неудач при использовании биологических заквасок на основе высушенных штаммов лактобактерий описаны в предыдущем подразделе. Что касается химических консервантов, то агрессивное действие органических кислот, входящих в их состав, является стрессовым фактором, вследствие которого плесневые грибы активируют синтез микотоксинов.
Без потерь до финала
Один из важнейших показателей заготовленного корма – это его аэробная стабильность (АС), то есть сохранность питательных веществ и безопасность корма уже после открытия хранилища. Доступ кислорода в консервированную массу, в первую очередь, инициирует размножение дрожжей Saccharomyces cerevisiae, Torula sp., Pichia sp., Debaryomyces hansenii, Hanseniaspora uvarum и др. Их развитие приводит к деградации питательных веществ и разогреванию субстрата. Это связано с тем, что в аэробных условиях спиртовое брожение сводится к минимуму и почти весь сахар тратится на синтез биомассы дрожжей, выделяющей значительное количество тепла. Белок при этом катаболизируется до NH3, что вызывает повышение уровня рН и провоцирует развитие плесневых грибов, продуцирующих микотоксины. Потери питательных веществ могут достигать 30-50 г/кг сухого вещества в день.
Аэробная стабильность определяется временем, в течение которого корм сохраняет постоянное качество и не разогревается при доступе воздуха. В связи с этим, метод определения АС заключается в измерении температуры в образцах и установлении момента, когда она превысит окружающую температуру на несколько градусов.
Существенным правилом является то, что продолжительность АС напрямую зависит от длительности ферментации корма. Так, даже на 30-е сутки силосования, когда процесс брожения считается законченным и корм готов к употреблению, продолжительность АС составляет не более 1-2 суток. Длительность АС в разы возрастает с увеличением срока хранения корма (Лаптев, Хамитова, 2013).
Мы провели оценку эффективности использования химического консерванта в сравнении с биологической закваской Биотроф-111 для повышения продолжительности аэробной стабильности. При этом было принято решение поставить препараты в «жесткие» условия, проведя эксперимент на «молодом», незрелом зерносенаже со сроком ферментации лишь 15 суток. Оказалось, что использование препарата Биотроф-111 позволило увеличить продолжительность АС зерносенажа на 30% (рис. 5). Это связано с тем, что бактерии, входящие в его состав, были отселектированы, прежде всего, по их способности подавлять дрожжи и плесневые грибы. При этом химический консервант увеличивал продолжительность АС корма лишь на 16,3%.
Закваска решит проблемы
Штамм бактерий B. subtilis 111, входящий в состав закваски Биотроф-111, обладает высокой конкурентоспособностью в силосе, а также повышенным уровнем антимикробной активности, что подтверждено на молекулярном уровне с помощью полногеномного секвенирования. Жидкая форма биоконсерванта гарантирует немедленное увеличение численности полезных видов бактерий в силосе без периода задержки, присущего сухим закваскам, что обеспечивает быстрое подкисление корма уже на первые сутки силосования.
Результаты независимых исследований в ФНЦ «ВИК им. В.Р.Вильямса» подтвердили, что корма, заготовленные с закваской Биотроф-111, могут храниться в течение длительного времени без потери питательных веществ и риска возникновения вторичной ферментации. Была выявлена способность штамма B. subtilis 111 к биодеструкции ряда микотоксинов, что определяется синтезом спектра биологически активных веществ.
Использование биопрепарата позволяет решить многие проблемы кормопроизводства, в том числе, продлить аэробную стабильность.
ООО «БИОТРОФ»
Санкт-Петербург, г. Пушкин, ул. Малиновская, д. 8, лит. А, пом. 7-Н
+7 (812) 322-85-50, 322-65-17, 452-42-20
biotrof@biotrof.ru
