Война бактерий: пробиотики для животных Текст научной статьи по специальности «Ветеринарные науки»

110

Тематический номер «Корма и кормопроизводство»

шшш. agroyug.ru

Пробиотические бактерии, или как их ещё называют - дружественные микроорганизмы, давно имеют научно-подтвержденную пользу для организма. Дружественные бактерии следят за нормальным состоянием организма и, в случае опасности, могут спасти от проникновения болезнетворных агентов. В организме млекопитающих обитает свыше 300 видов бактерий, грибков, вирусов и простейших, которые образуют сообщества, называемые микробиоценозами. Полезная микрофлора синтезирует антибактериальные и антигрибковые вещества, вырабатывает натуральные стимуляторы роста, улучшает всасывание минеральных веществ, в том числе микроэлементов, улучшает гормональный статус, регулирует рН химуса, слизистых и ЖКТ, а также выполняет другие важные функции. Кишечный микробиоценоз высокопродуктивного скота и птицы чувствителен к воздействию технологических стрессов и применению химиотерапевтических препаратов. Из-за дисбаланса микрофлоры животные становятся восприимчивыми к ряду заболеваний, страдают от недостатка ферментов, аминокислот и витаминов. Чтобы избежать падения продуктивности животных и птицы, контролировать бактерии в кишечнике и рубце необходимо с помощью кормовых добавок и ветеринарных препаратов.

Ольга Лютых, шеф-редактор, Институт развития сельского хозяйства

ВОИНА БАКТЕРИИ: ПРОБИОТИКИ ДЛЯ ЖИВОТНЫХ

Принцип действия пробиотиков

Продукцирование пищеварительных ферментов

Конкуренция за питательные субстраты с патогенными бактериями

Иммуномодулирующее действие

Продуцирование бактериоциноподобных веществ, ингибирующих патогены

Если сопоставить количество клеток в организме животного с численностью его микрофлоры, то окажется, что доля клеток животного - не более 4550%, остальное - это микробиом, который включает бактерии, вирусы, грибки и простейшие, - рассказывает Елена Йылдырым, доктор биологических наук, биотехнолог молекулярно-генетиче-ской лаборатории ООО «БИОТРОФ». - Организм животного - это сложная экосистема. Она колонизирована как полезными симбиотическими, так и патогенными микроорганизмами. Бытует мнение, что состав микрофлоры оказывает влияние на общее состояние кишечника. Это мнение правильное, но крайне ограниченное. На самом

деле, нет ни одного биохимического процесса, ни одной функции живых организмов, которые осуществлялись бы без прямого или опосредованного участия в них симбиотических микроорганизмов. Микрофлора обладает важными функциями: расщепление клетчатки кормов до усваиваемых организмом форм, синтез летучих жирных кислот и витаминов, поддержание иммунитета, защита от патогенов, нейтрализация токсинов и пр. В условиях животноводства и птицеводства, организм животных и птиц поставлен в очень жесткие условия: состав рациона нацелен на сверхпродуктивность, корма поражены токсинами, скученность поголовья высокая. Это ведет к нарушению хрупкого баланса между кишечными микроорганизмами. Как показали исследования ученых из компании «БИОТРОФ», нарушения состояния здоровья животных и птиц, снижение продуктивности и срока хозяйственного использования во многих случаях связаны с дисбиотическими явлениями в желудочно-кишечном тракте.

На фоне обострившейся проблемы с последствиями применения антибиотиков, все большее значение приобретает использование пробиотиков при производстве животноводческой продукции, - продолжает Юрий Викторович Маркин, доктор биологических наук, заместитель генерального директора ООО «НИИ Пробиотиков». - Причем, если первоначально они внедрялись как альтернатива антибиотикам, а также для повышения статуса здоровья и

ЭФФЕКТИВНОЕ ЖИВОТНОВОДСТВО

№ 3 май Безопасный корм QBiOChem

2020 для здорового питания ~TTZ

_н н ^_Feed Safety for Food Safety»

www.biochem.net

111

корректировки кишечной микрофлоры, то в последнее время все большее распространение приобретает использование пробиотиков в виде кормовых добавок для повышения усвоения питательных веществ рациона. Таким образом, пробиотики, с одной стороны - разумная альтернатива для производства здоровой животноводноводческой продукции, с другой - инструмент для повышения эффективности использования кормов и снижения затрат на выращивание птицы и свиней. Опыт нашей компании показывает, что применение споровых форм пробиотиков позволяет частично или полностью уйти от применения антибиотиков при выращивании птицы и свиней. Причем последние 3 года интерес к пробиотическим продуктам значительно подогревается как возможным запретом на использование антибиотиков, так и необходимостью выхода на экспортные рынки.

Создание биопрепаратов на основе живых, антагонистически активных бактерий (пробиотики, синбиотики, симбиотики), как альтернативы антибиотикам, является актуальной задачей и для медицины, и для ветеринарии, - рассказывает Татьяна Николаевна Грязнева, профессор, зав. кафедрой микробиологии ФГБОУ ВО МГАВМиБ-МВА имени К.И. Скрябина, доктор биологических наук. - Общеизвестен тот факт, что широкое применение антибиотиков способствует появлению антибиотикорезистентных штаммов бактерий и микроскопических грибов, распространению микозов и микотоксикозов, развитию у людей и животных дисбактериозов, иммунодепрессий и т.д. На сегодняшний день отказаться от антибиотиков невозможно, но в ряде случаев, например, при желудочно-кишечных болезнях, вызванных эн-теропатогенными бактериями, антибиотики с успехом заменяются пробиотическими препаратами и пробиотическими кормовыми добавками на основе бацилл - В^иЫИ^ и BJicheniformis.

Не стоит забывать, что стимуляция одного типа иммунного ответа ведёт к снижению другого, - дополняет Константин Викторович Зимин, Главный ветеринарный врач, ООО «Биотехагро». - Многие полевые вирусы, а также живые вакцины (с содержанием вирусов, особенно, из так называемых «горячих» штаммов) при проникновении в организм стимулируют в первую очередь клеточное звено иммунитета. В этих условиях остаётся ослабленным гуморальное звено защиты. Вот почему после прекращения вирусных заболеваний или после применения живых вакцин часто бывают проявления или вспышки различных бактериальных инфекций и обострение их хронических форм.

ПРИРОДНОЕ НАЧАЛО

Основным источником пробиотических штаммов является селективный отбор природных (диких) штаммов с определенными (нужными) свойствами.

Область применения различных микробиологических препаратов в животноводстве достаточно широка: лактобактерии используются при заготовке силоса и сенажа. Комплекс лакто-, бифидо- и энтеро- бактерий - для восстановления кишечной микрофлоры и улучшения усвояемости кормов. Споровые пробиотики применяют для подавления патогенной микрофлоры в желудочно-кишечном тракте животных, стимуляции иммунитета, подавления микотоксинов в кормах.

Штаммы не должны быть ни в коем случае ре-комбинантные, т.е. генномодифицированные, так как их влияние на организм животных до конца не изучено, - поддерживает Наталья ■12 ~~ —тг-™ Фисенко, кандидат с/х наук, ве-БашИнком теринарный врач, зам. директора ООО «НВП «БашИнком» по животноводству. - Микробиологи НВП БашИнком выделяют из таких природных источников, как

Тематический номер «Корма и кормопроизводство»

_ www.agroyug.ru

ризосфера пшеницы различные штаммы Bacillus Subtilis, и т.д.

Пробиотиотические продукты представлены тремя основными группами бактерий и грибов, - поясняет Юрий Викторович Маркин.

- Споровые бактерии, в основном рода Bacillus.

- Молочнокислые бактерии.

- Дрожжи.

Один из выводов наших исследований, на котором основывается база разработки кормовых пробиотических продуктов НИИ Пробиотиков, заключается в том, что бактерии являются живыми фабриками ферментов. Причем фабрика, которая живет, самовоспроизводится в желудочно-кишечном тракте животных и птицы и в значительной степени усиливает энзиматический комплекс хозяина. Компанией были проведены исследования по определению энзиматической активности бацилл, которые показали, что:

- разные виды бацилл обладают специфической активностью к разным субстратам. У субтилиса протеолитическая активность в 2 раза выше, чем у лихениформиса, а у последнего в 1,5-2 раза выше глюканазная и целлюлазная активность;

- разные штаммы даже одного вида могут отличаться по уровню ферментативной активности.

Комбинация эффективных штаммов в пробио-тическом продукте и определяет его воздействие на продуктивность и усвоение корма у животных и птицы.

Для создания по-настоящему эффективных пробиотиков необходимо четко представлять все микробиологические процессы, происходящие в желудочно-кишечном тракте животных и птиц, - уверена Елена Йылдырым. - В то же время, современный этап развития микробиологической науки может быть по праву назван революционным, вследствие развития молекулярно-биологических методов и расшифровки большого количества бактериальных геномов. Еще в прошлом веке было установлено, что систематика бактерий может быть построена на основе последовательности нуклеотидов в гене 16S РНК. В результате, мировое научное сообщество признало существование гораздо большего числа микроорганизмов, чем предполагалось ранее: число известных бактерий составляет лишь 1-50% от общего. Остальные микроорганизмы принадлежат к категории некультивируемых. Поскольку разнообразие существующих питательных сред и условий для культивирования на самом деле невелико,

обнаружение таких бактерий классическими методами микробиологии — явление редкое. Таким образом, оказывается, что многие наши представления о микроорганизмах, в том числе о микробиоме желудочно-кишечного такта, мягко говоря, неточны.

Перспективным направлением в конструировании и совершенствовании пробиотиков является применение бактерий рода Bacillus, - полагает Татьяна Николаевна Грязнева. - Эти микроорганизмы широко распространены в природе, являются устойчивыми к литическим и пищеварительным ферментам, длительно сохраняют жизнеспособность в желудочно-кишечном тракте животных. Среди различных представителей экзогенной микрофлоры, бациллы характеризуются рядом преимуществ, которые позволяют считать их наиболее эффективными в качестве основы новых пробиотиков. Важная особенность бацилл состоит в том, что хорошо изучена их генетика и поэтому они являются перспективной системой для клонирования чужеродных генов. В настоящее время методами генетической инженерии на основе аэробных спорообразующих бактерий получены суперпродуценты различных биологически активных веществ (колицин Е2 и др). Это открывает перспективу конструирования на основе бацилл штаммов с заданными свойствами и использования их новых свойств.

Область применения различных микробиологических препаратов в животноводстве достаточно широка, - резюмирует Наталья Фисенко. - Лакто-бактерии используются при заготовке силоса и сенажа, комплекс лакто-, бифидо- и энтеро- бактерий для восстановления кишечной микрофлоры и улучшения усвояемости кормов, споровые пробиотики применяют для подавления патогенной микрофлоры в желудочно-кишечном тракте животных, стимуляции иммунитета, подавления микотоксинов в кормах. Так, например, мы используем в кормовой добавке штамм бактерий Bacillus Subtilis 11В и 12В с противогрибковыми и антибактериальными свойствами.

Об определенном опыте применения препарата из живых культур Bac. subtilis c целью профилактики и лечения дисбактериоза телят сообщила М.П. Топчий еще в 1979. Она проводила исследования, целью которых являлось определение возможности использования живых культур Bac. subtilis с целью профилактики дисбактериоза у новорожденных телят.

Влияние культур Bac. subtilis на пищеварение М.П. Топчий изучала на свиньях, которым добавляли в дневной рацион 200*109 - 400*109 микробных клеток. Оказалось, что эффект применения культуры в известной мере зависел о того, получали животные полноценный или неполноценный рацион. В первом случае привес животных в опыте увеличилась лишь на 4%; во втором -на 32%. Автор объясняет это тем что, что при полноценном рационе организм животных почти не воспринимает дополнительных активаторов.

Нами получены экспериментальные данные, свидетельствующие о том, что введение в пищеварительный тракт животных значительное количество аэробных спорообразующих бактерий усиливает фагоцитарную активность лейкоцитов крови. Опыты по изучению влияния аэробных спорообразующих бактерий на фагоцитарную активность лейкоцитов были проведены на кроликах, которым перорально вводили микробные культуры различных видов аэробных спорообразующих бактерий, выделенные из организма человека, животных и ризосферы растений.

Описанный выше способ борьбы с плесневени-ем кормов имеет преимущества перед другими методами защиты кормовых субстратов от поражения

ЭФФЕКТИВНОЕ № 3 май ЖИВОТНОВОДСТВО 2020

их плесневыми грибами, так как не требует дополнительных трудозатрат (специальных помещений, оборудования для запаривания, протравки, сушка кормов), дополнительных затрат топлива и электроэнергии, а также дорогостоящих химических препаратов.

Многостороннее биологическое действие аэробных спорообразующих бактерий (высокая антибиотическая активность) стимуляция фагоцитоза, индукция эндогенного интерферона и др.) может обеспечить высокую лечебно-профилактическую эффективность препаратов из этих микроорганизмов в борьбе не только с бактериями, но и с вирусными желудочно-кишечными заболеваниями сельскохозяйственных животных.

«ÖVTi ßiO£»

Количество известных антибиотиков, продуцируемых спорообразующими аэробными бактериями, в настоящее время приближается к 200, - рассказывает Татьяна Николаевна Грязнева. - По количеству продуцируемых антибиотических веществ микроорганизмы рода Bacillus уступают лишь ак-тиномицетам.

В доступной литературе описано более 70 различных антибиотиков, продуцируемых бактериями рода Bacillus. Некоторые из них уже широко применяются в медицине, ветеринарии, сельском хозяйстве, пищевой промышленности и др. Это поли-миксины, колистин, бацитрацин, тиротрициновый комплекс (линейный грамицидин + тироцидин), грамицидин С,субтилин, эдеин, бутирозин.

Большинство идентифицированных антибиотиков, продуцируемых бактериями рода Bacillus - пептиды, вместе с тем, в последние годы все больше сообщений свидетельствуют о том, что представители данной группы микроорганизмов продуцируют антибиотические вещества, относящиеся и к другим классам соединений.

Полученные учеными результаты подтверждают способность пробиотических препаратов оказывать стимулирующее влияние на эритропоэз, лимфоци-топоэз, в связи с чем происходит активизация гуморальных и клеточных факторов неспецифической резистентности организма: бактерицидной, лизо-цимной, фагоцитарной активности сыворотки крови, - Константин Викторович Зимин. - Это ведёт к существенному снижению проявления различных бактериальных заболеваний, особенно, когда применение данного пробиотика проводится после проведения различного вида вакцинаций и антибиоти-котерапий. К примеру, использование пробиотика птицам оказывает оздоровительное влияние и на фабрициеву бурсу - основной орган иммуногенеза птиц, которая является источником В-клеток, обуславливающих продукцию циркулирующих антител против патогенов.

Использование молекулярно-биологических возможностей компании ООО «БиОТРОФ» сделало работу по селекции и изучению механизмов действия штаммов бактерий в составе пробиотиков еще более результативной, - рассказывает Елена Йыл-дырым. - Так, например, метод полногеномного секвенирования был применен для детального изучения всех свойств штаммов бактерий в составе пробиотиков, который позволил оценить функцию каждого гена в составе генома и описать все механизмы действия и биологический потенциал на молекулярном уровне.

Одним из важнейших продуктов бактериального синтеза являются такие соединения как органические кислоты, значение которых для организма животных и птиц чрезвычайно важно. Штаммы бактерий Bacillus sp. и Enterococcus sp. позволяют

вырабатывать достаточное количество указанных соединений, которые обладают противовоспалительным воздействием, защищают организм от патогенов и токсинов, поддерживают микробное равновесие и целостность слизистой кишечника.

Так, например, бутират, образуемый некоторыми штаммами Bacillus sp., стимулирует обновление клеток слизистой кишечника - рост и пролиферацию энтероцитов, крипт, влияет на кровоток в слизистой, и является основным энергетическим субстратом для клеток кишечника, обеспечивая до 70% потребности в энергии, а также участвует в регуляции многих метаболических и сигнальных процессов в ЖКТ.

Не менее ценным свойством бактерий, выявленном на молекулярном уровне, является способность образовывать витамины, например, биотин. Он играет важную роль во многих обменных процессах в организме. Многие животные и птицы - ауксотро-фы по биотину. При недостатке биотина у цыплят и индюшат возникает депрессии роста, дерматиты на конечностях, в области головы, век, углов клюва, встречаются случаи перозиса. У коров нехватка биотина в первую очередь сказывается на состоянии копыт животного, вызывая различные заболевания, приводящие к хромоте, и даже выбраковке животного.

Кроме того, в составе генома штамма Bacillus sp. обнаружено много генов, связанных с синтезом ан-самициновых бактериоцинов, которые эффективны против многих грамположительных и грамотри-цательных патогенов. Помимо этого, в составе его генома присутствуют гены синтеза глутатиона - одного из важнейших компонентов антиоксидантной защиты у птиц, препятствующей повреждению биологических молекул и гибели клеток в результате действия свободных радикалов.

Штаммы бацилл Bacillus subtilis и Bacillus licheniformis обладают антагонистической активностью к ряду условно - патогенных и патогенных бактерий, усиливает синтез иммуноглобулинов, активацию макрофагов, что повышает иммунитет животных и птицы и резистентность организма в случае неблагоприятных условий кормления и содержания, оказывает антитоксическое воздействие, включая прямой метаболизм микотоксинов, профилактиру-ет стресс, - поясняет Юрий Викторович Маркин. - Проведенные ООО «НИИ Пробиотиков» исследования доказывают возможность частичного или полного исключения антибиотиков из программ выращивания бройлеров и свиней. Причем, как ни удивительно, сохранность бройлеров при замене антибиотиков пробиотиками на 1.5-2% выше. Более низкая конверсия корма при вводе пробиотических продуктов в рецептуры комбикормов птицы и свиней уже не подвергается сомнению.

Микроорганизмы, входящие в состав нормофло-ры, осуществляют синтез витаминов В, С, Д, Е, К, аминокислот, бактериоцинов, угнетающих развитие патогенов, участвуют в обеззараживании токсинов, - добавляет Константин Викторович Зимин. -

114

Тематический номер «Корма и кормопроизводство»

www.agroyug.ru

Одним из подобных препаратов является разработанная нашими специалистами кормодобавка, содержащая в своем составе жизнеспособные штаммы молочнокислых бактерий Enterococcus faecium и Lactococcus lactis subsp.Lactis, а также продукты их жизнедеятельности (метаболиты).

Механизм действия добавки обусловлен наличием в ее составе живых культур Enterococcus faecium и Lactococcus lactis subsp.lactis. В процессе сквашивания молока в результате деятельности этих микроорганизмов происходит молочно-кислое брожение, при этом лактоза расщепляется на глюкозу и молочную кислоту, обладающую консервирующим действием. Белки молока разлагаются на более простые, легкоусвояемые вещества. Включение в рацион животного такого сквашенного молока способствует снижению уровня pH в кишечнике, восстановлению баланса полезной микрофлоры в ЖКТ, повышению привесов.

О ВАЖНОМ

Для того, чтобы добиться высокого звания про-биотика, продукт должен соответствовать очень многим критериям, - рассказывает Елена Йылды-рым. - Последние достижения в области молекулярной биологии привели к удивительным наблюдениям, главным из которых являлась необыкновенная геномная изменчивость бактерий в рамках каждого конкретного вида в связи высочайшей скоростью размножения этих микроорганизмов, способностью к горизонтальному переносу генов и быстрому накоплению значительного количества мутаций. Именно поэтому каждый вид бактерий содержит значительное число штаммов, у каждого у каждого из которых свойства разнятся в значительно мере.

Пожалуй, наибольшее внутривидовое разнообразие характерно для бацилл (лат. Bacillus) — обширного рода, в составе которого насчитывается около 318 видов. Так, например, показано, что у различных штаммов бактерий в пределах одного вида B. subtilis лишь 70% генов сходны (консервативны), тогда как остальные 30% - вариабельны и уникальны для каждого штамма. Интересно, что консервативная часть генома — это гены, отвечающие за деление и рост клетки, синтез АТФ, нуклеиновых кислот и пр. А вот вариабельную его часть (то есть уникальную для каждого штамма) составляют именно те гены, которые напрямую связаны с пробиотической активностью: это гены синтеза антимикробных веществ, ферментов, витаминов и др.

ДОЙДУТ ЛИ ЖИВЫМИ?

У бактерий в составе пробиотиков обязательно должно присутствовать свойство устойчивости к агрессивным факторам среды желудочно-кишечного тракта, - уверена Елена Йылдырым. - В противном случае, до кишечника, где они и призваны работать, бактерии не дойдут живыми или дойдут, но в ничтожном количестве.

Бактерии Bacillus sp. и Enterococcus faecium обладают механизмами выживаемости в неблагоприятных условиях окружающей среды, а толерантность Bacillus sp. усилена способностью фоимировать

споры, имеющие многослойную защитную оболочку. А среди бактерий рода Lactobacillus при инкубации на модельной среде, имитирующей прохождение желудка, было продемонстрировано колоссальное падение титра жизнеспособных клеток (аж на 3-4 порядка!). Дело в том, что бактерии рода Lactobacillus имеют слабые механизмы выживания в агрессивных условиях желудочно-кишечного тракта и проявляют жесткие потребности к питательным веществам, их рост может быть легко ингибирован многими веществами, присутствующими в ЖКТ.

Эволюция предусмотрела краткий период для молодняка млекопитающих и птицы, своеобразное окно, когда в первые дни жизни отмечена пониженная секреция соляной кислоты в желудке и желчных кислот, что позволяет молочнокислым бактериям без потерь миновать желудок, заселяя кишечник, - добавляет Юрий Викторович Маркин. Позднее с повышением продукции соляной кислоты окно захлопывается и желудок становится труднопреодолимой преградой для молочнокислых бактерий. В этом, вероятно, кроется зачастую нейтральные или отрицательные результаты применения пробиотических препаратов на основе молочнокислых бактерий и дрожжей при выращивании свиней и птицы.

КРИТЕРИИ ЭФФЕКТИВНОСТИ

При кормлении животных пробиотические препараты нередко добавляют в гранулированный корм в виде премикса, - рассказывает Елена Йылдырым. - Технологии гранулирования и экспандиро-вания комбикормов предполагают их термическую обработку при высоких температурных режимах. Большинство бактерий уже при температуре 58-60°С полностью теряют свою жизнеспособность. Микроорганизмы, погибшие под воздействием температуры, не соответствуют званию пробиотиков, даже если бактерии в их составе и обладают терапевтическим действием.

Кормовые пробиотики должны быть термостабильными, 100% споровыми, в сухом виде удобном для дозаторов и смесителей установленных на комбикормовых заводах, - напоминает Наталья Фисенко.

ОБОЗРИМОЕ БУДУЩЕЕ

Перспективным представляется производство и применение симбиотических продуктов, в состав которых, наряду с пробиотическими микроорганизмами, входят пребиотики, фитобиотики и другие стимуляторы роста нормофлоры кишечника, -завершает Юрий Викторович Маркин:

- фаги, естественные враги патогенных бактерий. В мире на рынке уже представлены несколько коммерческих препаратов, включающих в своем составе фаги против сальмонеллы, клостридии и кишечной палочки.

- метаболиты жизнедеятельности бактерий - бак-териоциноподобные вещества, по своей эффективности превосходящие по эффекту антибиотики. К ним не вырабатывается резистентность у бактерий.

- иммуномодуляторы - олигопептиды и олигоса-хариды, как сигнальные молекулы для стимуляции неспецифического иммунитета.

НИИ Пробиотиков работает по всем этим направлениям и уже завершило разработку нескольких новых продуктов в каждой из этих групп.

Резюмируя, отметим, что для обеспечения безопасной, отвечающей требованиям экологичности и вкуса продукции, необходимо развивать и поддерживать производство и использование пробиотиков в животноводстве.