CC BY
24
Vestnik of OmskSAU, 2022, no. 2(46) VETERINARY AND ZOOTECHNY
Научная статья
УДК 636.085.3:619:615.9
DOI 10.48136/2222-0364 2022 2 79
Секвестранты микотоксинов: избирательность действия
и побочные эффекты
Т.В. Герунов, Л.К. Герунова, А.А. Тарасенкон, В.А. Лапухова
Омский государственный аграрный университет имени П.А. Столыпина, Омск, Россия
Аннотация. Корма, содержащие токсичные метаболиты микроскопических грибов, представляют потенциальную опасность для здоровья животных и снижают их продуктивность. Цель обзора - обобщить опыт применения секвестрантов для снижения содержания микотоксинов в кормах и профилактики микотоксикозов. Наиболее многочисленным и широко используемым классом секвестрирующих агентов являются сорбенты. По химической природе и происхождению различают углеродные сорбенты, алюмосиликаты, сложные неусваиваемые углеводы, а также синтетические полимеры. Углеродные сорбенты проявляют адсорбционную активность по отношению к веществам низкой и средней молекулярной массы. Зоокарб связывает афлатоксины B1 на 89,6%, активированный уголь адсорбирует ДОН (дезоксини-валенол) из жидкой среды примерно на 90%, а зеараленон - на 100%. Глины и цеолиты связывают в основном афлатоксины. Бентониты в кислой среде адсорбируют фумонизин В1. Волокна люцерны связывают зеараленон и Т-2-токсин. Микронизированная пшеничная клетчатка эффективно адсорбирует охра-токсин А и снижает его содержание в тканях печени и почек у лабораторных животных. Выжимка из красного винограда может одновременно адсорбировать афлатоксин В1, зеараленон, охратоксин А и фумонизин В1. Глюкоманнаны, полученные из клеточных стенок дрожжей рода Saccharomyces, эффективны против широкого спектра микотоксинов. Холестирамин in vitro связывает охратоксин А, фумонизины и зеараленон. Многие бактерии, относящиеся к пробиотикам, также способны адсорбировать микотокси-ны. При использовании неорганических сорбентов проблемой является повышенное поступление микроэлементов, содержащихся в них, в организм животных. Кроме того, процесс ионообмена может привести к адсорбции минералов, витаминов и питательных веществ из корма. В настоящее время ведется поиск модификаторов, позволяющих повысить эффективность адсорбции и снизить риск нежелательных эффектов сорбентов.
Ключевые слова: секвестранты, токсины микроскопических грибов, углеродные сорбенты, неорганические сорбенты, пробиотики, профилактика микотоксикозов
Финансирование: работа выполнена в рамках гранта Президента Российской Федерации для государственной поддержки молодых российских ученых (МД-2435.2022.5.)
Original article
Mycotoxin sequestrants: selective action and side effects
T.V. Gerunov, L.K. Gerunova, A.A. TarasenkoH, V.A. Lapukhova
Omsk State Agrarian University named after P.A. Stolypin, Omsk, Russia
Abstract. Feeds containing toxic metabolites of microscopic fungi pose a potential health hazard to animals and reduce their productivity. The purpose of the review is to summarize the experience of using sequestrants both for reducing the content of mycotoxins in feed and prevention of mycotoxicosis. The most numerous and widely used class of sequestering agents are sorbents. By chemical nature and origin, carbon sorbents, alu-minosilicates, complex indigestible carbohydrates, and synthetic polymers are distinguished. Carbon sorbents
© Герунов Т.В., Герунова Л.К., Тарасенко А.А., Лапухова В.А., 2022
Vestnik of OmskSAU, 2022, no. 2(46) VETERINARY AND ZOOTECHNY
exhibit adsorption activity toward substances of low and medium molecular weight. Zoocarb binds aflatoxins B1 by 89.6%, activated carbon adsorbs DON (deoxynivalenol) from a liquid medium by about 90%, and zearale-none by 100%. Clays and zeolites bind mainly aflatoxins. Bentonites in an acidic environment adsorb fumonisin B1. Alfalfa fibers bind zearalenone and T-2 toxin. Micronized wheat fiber effectively adsorbs ochratoxin A and reduces its content in liver and kidney tissues in laboratory animals. Red grape pomace can simultaneously adsorb aflatoxin B1, zearalenone, ochratoxin A and fumonisin B1. Glucomannans derived from the cell walls of the yeast of the genus Saccharomyces are effective against a wide range of mycotoxins. Cholestyramine in vitro binds ochratoxin A, fumonisins and zearalenone. Many of probiotic bacteria are also capable of adsorbing mycotoxins. When using inorganic sorbents, the problem is the increased intake of microelements contained in them into the animal body. In addition, the ion exchange process can lead to the adsorption of minerals, vitamins and nutrients from the feed. Currently, modifiers that can increase the efficiency of adsorption and reduce adverse side effects of sorbents are already underway.
Keywords: sequestrants, toxins of microscopic fungi, carbon sorbents, inorganic sorbents, probiotic bacteria, prevention of mycotoxicoses
Financial Support: the work was carried out within the framework of the grant of the President of the Russian Federation for state support of young Russian scientists (MD-2435.2022.5.)
Острота проблемы загрязнения кормов для сельскохозяйственных животных ми-котоксинами не снижается в течение многих десятилетий. По данным некоторых авторов, загрязнению подвержены 99% кормов [1]. Микотоксины представляют собой вторичные метаболиты микроскопических грибов, среди которых наиболее распространены Aspergillus, Fusarium и Penicillium spp., а также Alternaria, Chaetomium, Cla-dosporium, Claviceps, Diplodia, Myrothecium, Monascus, Phoma, Phomopsis, Pithomyces, Trichoderma, Stachybotrys [2-4]. Чаще в кормах содержатся афлатоксины, цитринин, трихотецены, такие как дезоксиниваленол (ДОН), патулин, охратоксин А (ОТА), фумо-низины и зеараленон (ЗЕН), а также некоторые токсины эндофитных грибов (алкалоиды спорыньи) [4]. Одним из способов снижения их негативного воздействия на организм животных является введение в рацион кормовых добавок, в состав которых входят секвестрирующие агенты, или секвестранты.
Секвестранты представляют собой неабсорбируемые вещества, способные образовывать комплексы с токсинами, например, ионами (меди, железа, никеля и др.) или микотоксинами и грибами-продуцентами. Их преимуществами являются высокая поглощающая способность, низкая всасываемость в системный кровоток, что снижает частоту проявления побочных эффектов и обеспечивает экологичность [5].
Наиболее многочисленным, доступным и широко используемым классом секвестрирующих агентов являются сорбенты. Сорбенты - это соединения, способные связывать различные токсиканты, в том числе микотоксины, в желудочно-кишечном тракте животного. Благодаря им микотоксины не всасываются в кишечнике [3; 4; 6]. Существуют разные классификации сорбентов, но чаще всего их подразделяют на группы по химической природе и происхождению, например, углеродные сорбенты (активированный уголь, Зоокарб), алюмосиликаты (бентонит, цеолит, филлосиликаты и др.), сложные неусваиваемые углеводы (целлюлоза, полисахариды клеточных стенок дрожжей и бактерий, такие как глюкоманнаны, пептидогликаны и др.), а также синтетические полимеры, такие как холестирамин и поливинилпирролидон и их производные [7].
Углеродные сорбенты проявляют адсорбционную способность по отношению к веществам низкой и средней молекулярной массы. В экспериментах in vitro на искусственной модели желудочно-кишечного тракта препарат на основе нанодисперсного углерода «Зоокарб» связывал афлатоксин В1 на 89,6% [8]. Активированный уголь адсорбирует ДОН из жидкой среды примерно на 90%, а зеараленон - на 100% [9].
Vestnik of Omsk SAU, 2022, no. 2(46) VETERINARY AND ZOOTECHNY
Глины и цеолиты способны связывать в основном афлатоксины [4; 7; 10]. Бентониты хорошо адсорбируют афлатоксины, а в кислой среде - фумонизин В1, но плохо -дезоксиниваленол. Бентониты российских месторождений адсорбируют афлатоксин В1 из жидкой среды на 94,7% [8]. Диатомовая земля показала себя как неорганический материал с самой высокой адсорбционной активностью по отношению к микотоксинам грибов рода Fusarium.
Перспективными в адсорбции микотоксинов являются корма с высоким содержанием клетчатки. Волокна люцерны обладают способностью связывать зеараленон в организме лабораторных животных и свиней, а также Т-2 токсин. Микронизированная пшеничная клетчатка эффективно адсорбирует охратоксин А и снижает его содержание в тканях печени и почек у лабораторных животных [7]. Avantaggiato G. с коллегами утверждают, что выжимка из красного винограда (мякоти и кожицы) способна одновременно адсорбировать афлатоксин В1, зеараленон, охратоксин А и фумонизин В1, что было доказано оценкой биомаркеров мочи у свиней [11].
Модифицированные клетки дрожжей Saccharomyces cerevisiae, содержащие большое количество полисахаридов, устойчивых к действию эндогенных ферментов животных и человека, способны адсорбировать более 50% ДОН, ЗЕН, фумонизина В1, ОТА, Т-2 и афлатоксина В1 (AFB1) [2; 4; 12]. Глюкоманнаны, полученные из клеточных стенок дрожжей рода Saccharomyces, эффективны против широкого спектра микотоксинов: афлатоксина, охратоксина, токсина Т-2 [4; 7; 9; 10; 13].
В одном из исследований при оценке способности дрожжей Saccharomyces cerevisiae, бентонита и каолина связывать микотоксины, содержащиеся в кормах для сельскохозяйственной птицы, установлено, что S. eerevisiae снижает концентрацию в корме афлатоксина на 37,9%, а ДОН - на 35,5%; бентонит - на 55,5% и 47,5%; каолин -на 65,9% и 60% соответственно [14].
Холестирамин в экспериментах in vitro эффективно связывает охратоксин А, фу-монизины и зеараленон. При добавлении холестирамина в корма для лабораторных животных также была доказана его эффективность в отношении зеараленона и фумони-зинов. Синтетический водорастворимый полимер поливинилпирролидон эффективно связывает афлатоксин В1 и зеараленон, но дезоксиниваленол он не адсорбирует [7]. Применение полимеров в животноводстве ограничено высокой стоимостью препаратов.
Одним из наиболее перспективных методов борьбы с микотоксикозами является использование наноматериалов на основе углерода. Графен и модифицированные на-ноалмазы (Modified nanodiamonds), синтезированные детонацией, имеют высокоразвитые поверхности с наночастицами, что позволяет использовать их в качестве секвест-рантов микотоксинов. Результаты экспериментов in vitro показывают, что наноалмазы адсорбируют афлатоксин В1 из водных растворов при различных значениях рН. На поверхности наночастиц было адсорбировано 60% АFВ1 при малых его концентрациях в субстрате. Спектральный анализ показал, что более 80% микотоксинов, содержащихся в гидрозоле с наноалмазами, адсорбировалось на наночастицах. При этом сорбция происходила за 2-3 минуты. Эти результаты подтверждены экспериментами in vivo на крысах, при исследовании физиологических показателей которых было установлено снижение проявления негативных эффектов афлатоксина В1 в результате применения наноалмазов [7].
Многие бактерии, относящиеся к пробиотикам, также способны адсорбировать микотоксины. К примеру, живая клетка L. casei in vitro адсорбирует до 60% афлатоксина В1 из питательной среды за 24 часа [4; 15; 16]. Mycobacterium fluoranthenivorans sp. снижает концентрацию AFB1 в жидкой питательной среде до 70-80% от исходной в
Vestnik of Omsk SAU, 2022, no. 2(46) VETERINARY AND ZOOTECHNY
течение 36 часов, а через 72 часа полностью нейтрализует токсин [3]. При добавлении пробиотического препарата «Бацелл-М», состоящего из микробной массы живых бактерий Bacillus subtilis, Lactobacillus paracasei, Enterococcus faecium, в корма для свиноматок, загрязненные микотоксинами, уровни микотоксинов Т-2 и ДОН снизились на 76% и 38% соответственно [17]. Существенным преимуществом пробиотических микроорганизмов перед другими секвестрантами-сорбентами является их способность помимо адсорбции биотрансформировать микотоксины в менее токсичные или нетоксичные соединения [3; 4; 15; 16].
В последнее время стали обсуждаться потенциальные неблагоприятные эффекты сорбентов. Отмечено, что клетчатка люцерны является источником фузариотоксинов, содержание которых в некоторых образцах составляет до 15-25% [7]. При использовании неорганических сорбентов проблемой является повышенное поступление микроэлементов, содержащихся в них, в организм животных. Кроме того, процесс ионообме-на может привести к адсорбции минералов и питательных веществ из корма, что вызывает дефицит макро- и микроэлементов (калия, железа и др.), а также способствует развитию гиповитаминозов у сельскохозяйственных животных. Это подтверждают некоторые публикации, в которых сообщается о симптомах дефицита витамина А у цыплят, получавших корм с добавлением 0,5-3% бентонита [18; 19]. В некоторых исследованиях также была выявлена зависимость биодоступности антибиотиков от применения сорбентов. Так, в результате одновременного введения бентонита в качестве кормовой добавки и доксициклина свиньям, в рационе которых присутствовали корма, загрязненные трихотеценом, наблюдалась повышенная концентрация доксициклина в плазме крови по сравнению с контрольной группой. В исследованиях in vitro изучали прохождение тилозина через кишечник в присутствии 1% бентонита. Бентонит взаимодействовал с тилозином и уменьшал его концентрацию [18; 20]. Исследования токсичности некоторых сорбентов показали, что они способны ингибировать пролиферацию клеток, индуцировать окислительный стресс и повреждение мембран, однако генотоксического и мутагенного действия природных сорбентов не наблюдалось, чего нельзя сказать о некоторых модифицированных сорбентах. Например, в исследованиях in vitro под воздействием органо-модифицированного монтмориллонита отмечалось значительное увеличение повреждений ДНК в клетках HepG2 (клеточной линии гепатоцеллюлярной карциномы человека) и Caco-2 (эпителиальных клеток аденокарциномы человека) [18].
Секвестрирующие агенты, в том числе сорбенты, успешно применяются в профилактике кормовых микотоксикозов сельскохозяйственных животных. Они обладают рядом преимуществ, таких как экологичность, низкая всасываемость в желудочно-кишечном тракте, относительная безопасность, способность связывать широкий спектр микотоксинов. Высокая избирательная адсорбционная активность сорбентов в отношении микотоксинов доказана в исследованиях in vitro и in vivo. В настоящее время ведется поиск модификаторов, позволяющих повысить эффективность адсорбции, все шире внедряются сорбенты на основе наноматериалов. Сфера применения данной группы секвестрантов расширяется.
Список источников
1. Cheli F. Mycotoxin Contamination Management Tools and Efficient Strategies in Feed Industry. Toxins. 2020;12(8):208.
2. Попова С.А., Скопцова Т.И., Лосякова Е.В. Микотоксины в кормах: причины, последствия, профилактика // Известия Великолукской государ-
References
1. Cheli F. Mycotoxin Contamination Management Tools and Efficient Strategies in Feed Industry. Toxins. 2020;12(8):208.
2. Popova S.A., Skopcova T.I., Losyakova E.V. Mycotoxins in feed: causes, consequences, prevention. Izvestiya Velikolukskoj gosudarstvennoj sel'skoho-
Vestnik of OmskSAU, 2022, no. 2(46)
ственной сельскохозяйственной академии. 2017. № 1. С. 16-23.
3. Review of mycotoxin-detoxifying agents used as feed additives: mode of action, efficacy and feed / food safety. SCIENTIFIC REPORT submitted to EFSA. [2009]. URL: https://www.adiveter.com/ ftp_public/A1041209.pdf (accessed: 15.04.2022)
4. Gallo A. [et al.]. Review on Mycotoxin Issues in Ruminants: Occurrence in Forages, Effects of Mycotoxin Ingestion on Health Status and Animal Performance and Practical Strategies to Counteract Their Negative Effects. Toxins. 2015;7(8):3057-3111.
5. Hope J. A review of the mechanism of injury and treatment approaches for illness resulting from exposure to water-damaged buildings, mold, and mycotoxins. Scientific World Journal. 2013:767482.
6. Семененко М.П., Антипов В.А., Савинков А.В. Фармакологические аспекты применения энтеросорбента «Применкор» в ветеринарии // Ветеринария Кубани. 2010. № 6. С. 33.
7. Colovic R. [et al.]. Decontamination of My-cotoxin-Contaminated Feedstuffs and Compound Feed. Toxins. 2019;11(11):617.
8. Применение сорбентов для профилактики нарушения обмена веществ и токсикозов животных : монография / К.Х. Папуниди [и др.]. Казань : Федеральный центр токсикологической, радиационной и биологической безопасности, 2018. 224 с.
9. Sabater-Vilar M. [et al.]. In vitro assessment of adsorbents aiming to prevent deoxynivalenol and zearalenone mycotoxicoses. Mycopathologia. 2007;163(2):81-90.
10. Surai P.F., Mezes M. Mycotoxins and immunity: theoretical consideration and practical applications. Praxis veterinaria. 2005;53(1-2):71-88.
11. Avantaggiato G. [et al.]. Assessment of multi-mycotoxin adsorption efficacy of grape pomace. J. Agric. Food Chem. 2014;62:497-507.
12. Kolawole O. [et al.]. Comparative in vitro assessment of a range of commercial feed additives with multiple mycotoxin binding claims // Toxins. 2019;11(11):659.
13. Conte G. [et al.]. Mycotoxins in feed and food and the role of ozone in their detoxification and degradation: an update. Toxins. 2020;12(8);486.
14. Ejiofor T. [et al.]. Saccharomyces cerevi-siae, bentonite, and kaolin as adsorbents for reducing the adverse impacts of mycotoxin contaminated feed on broiler histopathology and hemato-biochemical changes. Vet World. 2021;14(1):23-32.
15. Джавахия В.Г., Стацюк Н.В., Щербакова Л.А., Поплетаева С.Б. Афлатоксины: ингибиро-вание биосинтеза, профилактика загрязнения и деконтаминация агропродукции : монография. М. : Редакция журнала «Достижения науки и техники АПК», 2017. 162 с.
VETERINARY AND ZOOTECHNY
zyajstvennoj akademii = Proceedings of the Velikie Luki State Agricultural Academy. 2017;(l):16-23. (In Russ.).
3. Review of mycotoxin-detoxifying agents used as feed additives: mode of action, efficacy and feed / food safety. SCIENTIFIC REPORT submitted to EFSA. [2009]. URL: https://www.adiveter.com/ ftp_public/A1041209.pdf (accessed 15.04.2022)
4. Gallo A. [et al.]. Review on Mycotoxin Issues in Ruminants: Occurrence in Forages, Effects of Mycotoxin Ingestion on Health Status and Animal Performance and Practical Strategies to Counteract Their Negative Effects. Toxins. 2015;7(8):3057-3111.
5. Hope J. A review of the mechanism of injury and treatment approaches for illness resulting from exposure to water-damaged buildings, mold, and mycotoxins. Scientific World Journal. 2013:767482.
6. Semenenko M.P., Antipov V.A., Savinkov A.V. Pharmacological aspects of the use of enterosorbent Primenkor in veterinary medicine. Veterinariya Kuba-ni = Veterinary Kuban. 2010;(6):33. (In Russ.).
7. Colovic R. [et al.]. Decontamination of My-cotoxin-Contaminated Feedstuffs and Compound. Toxins. 2019;11(11):617.
8. Papunidi K.H. [et al.]. The use of sorbents for the prevention of metabolic disorders and toxicosis in animals. Kazan': Federal'nyj centr toksikologi-cheskoj, radiacionnoj i biologicheskoj bezopasnosti. 2018:224 s. (In Russ.).
9. Sabater-Vilar M. [et al.]. In vitro assessment of adsorbents aiming to prevent deoxynivalenol and zearalenone mycotoxicoses. Mycopathologia. 2007;163(2):81-90.
10. Surai P.F., Mezes M. Mycotoxins and immunity: theoretical consideration and practical applications. Praxis veterinaria. 2005;53(1-2):71-88.
11. Avantaggiato G. [et al.]. Assessment of multi-mycotoxin adsorption efficacy of grape pomace. J. Agric. Food Chem. 2014;(62):497-507.
12. Kolawole O. [et al.]. Comparative in vitro assessment of a range of commercial feed additives with multiple mycotoxin binding claims. Toxins. 2019;11(11):659.
13. Conte G. [et al.]. Mycotoxins in feed and food and the role of ozone in their detoxification and degradation: an update. Toxins. 2020;12(8):486.
14. Ejiofor T. [et al.]. Saccharomyces cerevi-siae, bentonite, and kaolin as adsorbents for reducing the adverse impacts of mycotoxin contaminated feed on broiler histopathology and hemato-biochemical changes. Vet World. 2021;14(1):23-32.
15. Dzhavahiya V.G., Stacyuk N.V., Shcher-bakova L.A., Popletaeva S.B. Aflatoxins: biosynthesis inhibition, pollution prevention and decontamination of agricultural products. Moscow: Redakciya zhurnala "Dostizheniya nauki i tekhniki APK" 2017:162. (In Russ.).
Vestnik of OmskSAU, 2022, no. 2(46)
16. Пробиотики и пребиотики // World Gastroenterology Organisation. Global Guardian of Digestive Health. Serving the World : [сайт]. [2017]. URL: https://www.worldgastroenterology.org/guidelines/pro biotics-and-prebiotics/probiotics-and-prebiotics-russian (дата обращения: 10.04.2022).
17. Руководство по средствам и способам защиты сельскохозяйственных животных от мико-токсикозов с учетом региональных особенностей / И.М. Донник [и др.]. Екатеринбург : Уральское издательство, 2012. 48 с.
18. Connolly L., Kolawole O., Elliott C.T. Potential adverse effects on animal health and performance caused by the addition of mineral adsorbents to feeds to reduce mycotoxin exposure. Mycotoxin Res. 2020;36(1):115-126.
19. Hashemipour H., Kermanshah H., Pile-var M. Interactive effect of sodium bentonite with pigments on performance and egg quality of laying hens. Journal of Animal and Veterinary Advances. 2010;9:2179-2184.
20. Goossens J. [et al.]. Influence of mycotox-ins and a mycotoxin adsorbing agent on the oral bio-availability of commonly used antibiotics in pigs. Toxins. 2012;4:281-295.
Для цитирования: Герунов Т.В., Геруно-ва Л.К., Тарасенко А.А., Лапухова В.А. Секвест-ранты микотоксинов: избирательность действия и побочные эффекты // Вестник Омского ГАУ. 2022. № 2 (46). С. 79-84. DOI 10.48136/2222-0364_2022_2_79.
Информация об авторах
Герунов Тарас Владимирович, д-р биол. наук, доц., [email protected];
Герунова Людмила Карповна, д-р вет. наук, проф., [email protected];
Тарасенко Анна Александровна, канд. вет. наук, ст. преподаватель, [email protected];
Лапухова Виктория Александровна, студент, [email protected].
Статья поступила в редакцию 25.04.2022.
VETERINARY AND ZOOTECHNY
16. Probiotics and Prebiotics. World Gastroenterology Organisation. Global Guardian of Digestive Health. Serving the World: [sajt]. 2017. URL: https://www.worldgastroenterology.org/guidelines/pro biotics-and-prebiotics/probiotics-and-prebiotics-russian (accessed 10.04.2022)
17. Donnik I.M. [et al.]. Guidelines on the means and methods of protecting farm animals from mycotoxicoses, taking into account regional characteristics. Ekaterinburg: Ural'skoe izdatel'stvo. 2012:48. (In Russ.).
18. Connolly L., Kolawole O., Elliott C.T. Potential adverse effects on animal health and performance caused by the addition of mineral adsorbents to feeds to reduce mycotoxin exposure. Mycotoxin Res. 2020;36(1):115-126.
19. Hashemipour H., Kermanshah H., Pilevar M. Interactive effect of sodium bentonite with pigments on performance and egg quality of laying hens. Journal of Animal and Veterinary Advances. 2010;(9): 2179-2184.
20. Goossens J. [et al.]. Influence of mycotox-ins and a mycotoxin adsorbing agent on the oral bio-availability of commonly used antibiotics in pigs. Toxins. 2012;(4):281-295.
For citation: Gerunov T.V., Gerunova L.K., Ta-rasenko A.A., Lapukhova V.A. Mycotoxin sequestrants: selective action and side effects. Vestnik of Omsk SAU. 2022;2(46):79-84, DOI 10.48136/22220364 2022 2 79.
Information about the authors
Gerunov Taras V., Doc. of Biol. Sci., Ass. Prof., [email protected];
Gerunova Liudmila K., Doc. of Vet. Sci., Prof., [email protected];
Tarasenko Anna A., Cand. of Vet. Sci., senior lecturer, [email protected];
Lapukhova Viktoriya A., student, [email protected].
The article was submitted 25.04.2022.
