Решение задачи повышения надоев путем увеличения концентратного кормления резко ухудшает здоровье коров. Использование регуляторов обмена позволяет избежать многих проблем и улучшить производственные показатели.
Ухудшение здоровья
Хорошо известно, что все проблемы с повышением надоев в настоящее время решаются путем увеличения объемов концентратного кормления. В том числе и в случае ухудшения качества грубых кормов в весеннее время. Известно также, что использование концентратного кормления приводит к резкому ухудшению здоровья коров всех категорий. Возрастает количество различных метаболических нарушений, в том числе парезы, кетоз, эндометриты, маститы, ламиниты, гепатоз, инсулинрезистентность.
По официальной статистике поголовье коров ежегодно снижается примерно на 5%. Вынужденная выбраковка коров в хозяйствах достигает 40-50%. Возрастают расходы на ветпрепараты. То есть «за все платить надо». В этой ситуации невольно 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 оценке положения дел при посещении фермерских хозяйств в ряде стран, стало очевидным присутствие тех же проблем за рубежом. К сожалению, можно констатировать, что в хозяйствах привыкли к тому, что как-либо изменить способ кормления и содержания коров невозможно. Совмещение высоких надоев и хорошего здоровья стало невозможным ввиду отсутствия каких-либо механизмов управления потреблением корма.
Анализ причин
Несколько лет назад мы провели тщательный анализ в динамике причин появления изложенных выше нарушений здоровья. Для этого нам пришлось проанализировать ситуацию с поголовьем коров в 1960-е годы (то есть почти 60 лет назад).
Стало очевидным, что сниженные надои молока не создают заметных проблем с метаболическими нарушениями и здоровьем животных. В 1960-70-е годы за рубежом стали активно внедряться в практику программы нормированного кормления на основе теории линейного программирования профессора В.Л.Канторовича (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. Впрочем, также 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.
Цитата: «Было бы наивным полагать, что корова сама распорядится заданной энергией корма и направит ее в нужное русло».
К сожалению, не получается. Прежде всего потому, что предлагаемый корм на самом деле является питательной средой для микробиоты рубца. Причем обогащенной питательной средой. Это не пища для коровы. Пища коровы – комплекс органических кислот, образуемый в рубце, в том числе ацетат, пропионат, молочная кислота (Шлегель, Общая микробиология, 1987, стр. 406).
Обогащенные питательные среды (в основном за счет крахмала зерновых) – основная причина последующих неприятностей, связанных со здоровьем животных (об этом подробнее ниже).
Пропионат как ключевое звено
Сейчас стало очевидным, что рубец коровы – важный участник в синтезе КЦЖК (короткоцепочечных жирных кислот), определяющих уровень энергии у животных и образования молока. А рубец, как установлено, представляет собой ~ 100-150 л ферментатор с полунепрерывным процессом культивирования в анаэробных условиях.
В этом ферментаторе развивается микробиота рубца, утилизируя компоненты обогащенной питательной среды в анаэробных условиях. Конечными продуктами ферментации являются КЦЖК, в том числе ацетат, пропионат, бутират. Утверждается, что соотношение этих кислот в рубце является постоянным – 50-70 об. % уксусной, 17-21 об. % – пропионовой, 14-20 об. % масляной (таблица, Шлегель, Общая микробиология, 1987, стр. 407).
Надо полагать, что приведенное соотношение органических кислот было установлено условно на модели рубца применительно к концентратному кормлению. В реальных условиях очевидно, что скорость образования пропионата в рубце недостаточна.
Пропионат, как доказано многочисленными исследованиями, является важнейшим прекурсором глюкозы крови (глюконеогенез), а если более точно – прекурсором оксалоацетата (щавелевоуксусная кислота) (рис. 1), метаболита, без которого невозможно использовать ацетат в ЦТК (цикл трикарбоновых кислот) для получения энергии. Таким образом, пропионат является ключевым звеном в цепочке обеспечения коровы энергией. В этой связи можно предположить, что одной из причин появления инсулинрезистентности и метаболических нарушений является как раз дефицит пропионата в рубце.
О дефиците пропионата
В этой связи нами проведен анализ вероятных причин недостаточного образования пропионата. Известно, что сырьем для синтеза пропионата является лактат (молочная кислота), который группой бактерий рубца из рода Clostridium (лактат-утилизаторы) преобразует лактат в пропионат.
Пропионат может также образовываться при ферментации в рубце пропионовокислых бактерий, используя 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 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 в качестве субстрата для роста лактата. В последние годы появились исследования с анализом кинетики роста микробиоты рубца. Буквально недавняя публикация («Тенденции в микробиологии», март 2022, том 30, №3) 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 достаточно быстро, чтобы оставаться в рубце». Это означает, что применительно к группе анаэробов – лактат-утилизаторов, пропионат в качестве «вторичного» метаболита не успевает накапливаться в необходимом объеме.
Лимитирующие факторы
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. Было бы интересным сделать попытки усилить состав «корма» специфическими субстратами, способными повысить скорость их роста. Но мы не встречали таких работ.
Значительным ингибирующим действием на рост обладают токсины различной природы, в том числе микотоксины и эндотоксины патогенных клостридий. Мы наблюдали в специальных опытах угнетающее действие афлатоксина в минимальных дозах на рост Lactobac.Acidofillus. Известно также ингибирующее действие так называемых «антипитательных факторов» корма, в том числе на рост и развитие микробиоты (И.Г.Панин и соавторы «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.
Роль глюкозы
Но самый важный фактор управления ростом популяции – это понимание роли глюкозы. Теперь предопределено, что условия содержания коров (и не только) – это повышенные концентрации глюкозы на фоне использования обогащенных сред. Этот феномен был обнаружен в 1960-70-е годы прошлого века и получил название «катаболитная репрессия» или глюкозный эффект. В чем его суть?
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 присутствием глюкозы тормозится окисление жиров, лактозы, полисахаридов и др. Это достигается путем торможения роста отдельных видов популяции, синтеза ряда ферментов, например, липаз, амилаз и др.
Возникает вопрос – можно ли уйти от катаболитной репрессии? В 1970-е годы этот вопрос оказался крайне актуальным для огромной индустрии продуктов «вторичного синтеза», в том числе антибиотиков, ферментов, нуклеозидов и др. Известно, что решение оказалось в разработке 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.
Вторичные метаболиты
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. Установлено также, что эти продукты могут быть использованы клеткой в качестве резервных в условиях голодания. Продукты «вторичного синтеза», среди которых огромные количества полезных для человека – антибиотики, ферменты, органические кислоты, каротиноиды, нуклеозиды, пигменты и др. В то же время к «вторичным метаболитам» относятся опасные токсины, в том числе микотоксины.
В 1950-60-е годы была создана огромная по масштабам промышленность получения «вторичных метаболитов» на основе процессов биосинтеза. Естественно, что главной задачей ученых в этой отрасли являлось выявление роли факторов, способных создать высокую скорость роста продуктов и в дальнейшем, используя «feeding», создать условия для пролонгации процесса «вторичного синтеза», поддерживая на постоянном уровне скорость синтеза. 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.
Обеспечить стабильный баланс
Как мы теперь утверждаем, процессы «вторичного синтеза» имеют место у коров и в целом у моногастричных и синтезируют в рубце и кишечнике комплекс «вторичных метаболитов», играющих важную роль в процессах биосинтеза молока и обеспечения моногастричных, в том числе и человека, важнейшими метаболитами для поддержания обменных процессов, в том числе иммунитета.
В частности, у коровы в рубце путем «вторичного синтеза» образуются два важнейших метаболита. Это лактат, синтезируемый группой лактат-синтезаторов путем окисления глюкозы. Лактат, в свою очередь, используется в качестве субстрата для роста группой лактат-утилизаторов с образованием «вторичного» метаболита – пропионата. Это и есть «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 причины? В избытке образуемой глюкозы, которая «наводит порядок», а именно – тормозит скорость роста лактат-утилизаторов и лактат-синтезаторов и, наконец крахмалолитиков, тем самым снижая скорость образования самой глюкозы.
Описанный сценарий приводит к низкой скорости роста микробиоты рубца и, соответственно, непродолжительной фазе «вторичного синтеза». Отсюда – дефицит пропионата, энергии, появление признаков инсулинорезистентности и увеличение различного рода метаболических нарушений.
Сниженный фон роста 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 надо защищаться?
«Полис» придет на помощь
Имеются опубликованные в 1960-е годы данные о влиянии токсинов на поголовье коров в условиях не концентратного кормления, где коровы были по чувствительности к токсинам 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 были пищевые волокна (полисахариды некрахмалистые), экстракты аминокислот, в том числе незаменимых, нуклеозидов, органических кислот ЦТК, витаминов, являющихся составной частью ключевых ферментов биогенеза молока, в том числе биотина, витамина В12, антиоксидантов, эфирных масел, пробиотиков.
Каждый из этих компонентов оценивался при введении в рацион новотельных коров в отношении эффектов по биоусвояемости рациона, надоям, наличию метаболических нарушений, вынужденной выбраковке и др.
В итоге была составлена оптимальная композиция ингредиентов регулятора, который стал выпускаться под брендом «Полис» (сокращенно от слова «полисахариды» и как гарантия защиты).
Механизм действия «Полис» был тщательно изучен на модели рубца коров в РГАУ-МСХА им. К.А.Тимирязева (проф. Н.П.Буряков) в диссертационной работе А.В.Косолапова (Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата сельскохозяйственных наук «Эффективность использования полисахаридов в кормлении высокопродуктивных коров»).
Было, в частности, установлено, что «Полис» при минимальной дозе ввода – 150 г/гол. день – создает условия для усиления роста всей цепочки основных представителей рубцовой микробиоты, но в большей степени – лактат-утилизаторов (таблица).
Установлено также, что регулятор способствует увеличению пула пропионата в рубце (рис. 2).
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 «отдаленные» результаты использования «Полис» как в сухостое, так и в процессе лактации убедительно показывают его мультивалентное действие на организм коровы. Это конкретно выражается в следующем:
- резкое снижение объема метаболических нарушений после отела;
- повышение иммунитета, что подтверждается увеличением количества иммуноглобулинов в крови, снижением соматики (вдвое и более), устранение маститов, эндометритов;
- улучшение оплодотворяемости коров, в том числе первотелок;
- повышение биоусвояемости кормов;
- возможность использования высококрахмалистых рационов без ущерба для здоровья коров;
- быстрое увеличение молочной продуктивности в течение транзитного периода и удержание 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».
