Физиологическая роль микробиоты в рубцовом пищеварении

Размещено на http://www.allbest.ru/

Физиологическая роль микробиоты в рубцовом пищеварении

Н.С. Шевелев, А.Г. Грушкин, Б.В. Тараканов

Аннотация

Представлен обзор отечественной и зарубежной литературы, посвященной роли и участию микробиоты рубца жвачных животных в процессе превращения питательных веществ корма. Особое внимание уделено целлюлозолитическим бактериям как основным источникам рубцовой ферментации растительных кормов, содержащих большое количество клетчатки. Показана роль адгезии микроорганизмов с кормовыми субстратами и значение гликокаликса в процессе рубцового пищеварения.

Summary

Physiological role of microbiota in rumen digestion (review)

N.S. Shevelev, A.G. Grushkin, B.V. Tarakanov

The native and foreign literature devoted to the role and the participation of rumen microbiota in ruminant animals in digestion of food nutrient substances is reviewed. The cellulose lytic bacteria as the main participants of rumen fermentation of vegetative food with large amount of cellulose had a special attention. The role of adhesion of microorganisms with nutrient substrates and glycocalyx in rumen digestion was presented.

целлюлозолитический бактерия рубцовое пищеварение

Содержимое преджелудков создает благоприятную среду для развития бактерий, простейших и грибов, представляющих микробиоту рубца (микрофлору и микрофауну). Рубец -- это ферментативный реактор проточного типа с иммобилизованными микроорганизмами. Однако доля микробиологического этапа в общем процессе пищеварения пока точно не установлена. Морфологический состав микроорганизмов рубца у жвачных животных изменяется в зависимости от возраста и рациона. Популяции микроорганизмов рубца в основном формируются к 10-недельному возрасту (1). Бактерии рубца взрослого животного не всегда относятся к эндемической форме; они имеют кормовое или рубцовое происхождение. Среда рубца благодаря анаэробным условиям способствует росту микроорганизмов, для которых рН этого отдела пищеварительного тракта является оптимальным. Бактерии рубца -- наиболее распространенная группа микроорганизмов, хотя в количественном отношении они не всегда преобладают в общей массе микробиоты (2).

Целлюлозолитические бактерии сыграли решающую роль в эволюции жвачных животных. Эти бактерии чувствительны к изменению рН среды: их развитие существенно подавляется при рН ниже 6,2; оптимум -- рН 6,3-7,0. Ингибирование ферментации клетчатки происходит в результате повышения содержания крахмала и простых сахаров при снижении рН до 5,8. Целлюлозолитические бактерии исключительно анаэробны, и многие из них используют аммиак в качестве источника азота. Интенсивность роста бактерий зависит от наличия таких жирных кислот с разветвленной цепью, как изобутират и изовалерат.

Амилолитические бактерии менее чувствительны к снижению рН (оптимум 5,6-7,0), хотя кислотность в значительной степени влияет на соотношение летучих жирных кислот (ЛЖК). Скорость, с которой крахмал ферментируется в рубце, зависит от вида корма и способа его обработки. Некоторые амилолитические бактерии могут ферментировать и простые растворимые сахара, однако в отличие от зерен крахмала и клетчатки в этом процессе отсутствует механизм адгезии. Ферментация растворимых сахаров может происходить независимо от роста бактерий.

Протеолитические бактерии. Некоторые штаммы рубцовых бактерий являются протеолитическими: белки и аминокислоты с различной скоростью распадаются с образованием аммиака. Этот процесс зависит от степени растворимости белка.

Простейшие рубца. Простейшие всегда присутствуют в рубце в меньших количествах, чем бактерии, но по размеру они намного крупнее. Если из рубца удалить все инфузории или ингибировать их действие, то численность бактерий обычно возрастает. Количество и видовой состав инфузорий в значительной степени зависят от условий кормления животного. Так, на 2-е сут голодания численность инфузорий в рубце животных снижалась на 42 %, а при более длительном голодании они исчезали почти полностью (3). В рубце жвачных обычно встречаются две большие группы инфузорий -- голотрихии и энтодиниоморфы. Энтодиниоморфидные простейшие утилизируют крахмал, а реснитчатые -- быстро поглощают растворимые сахара. Простейшие рубца обладают протеолитической активностью и способствуют стабильности процессов ферментации.

Эти микроорганизмы прикрепляются к крупным частицам корма, что препятствует их удалению из рубца с жидкой фазой. Следует отметить, что степень адгезии и время пребывания инфузорий в рубце (около 10 ч) являются благоприятными факторами для жизнедеятельности последних (2). Белок простейших составляет значительную часть белка содержимого рубца жвачных. В бактериях и инфузориях содержится соответственно 12,0 и 20,3 % белка от общего количества последнего в содержимом рубца. По содержанию незаменимых аминокислот белок инфузорий значительно превосходит таковой бактерий (3).

Анаэробные грибы, обладающие целлюлозолитической активностью, обнаружены в виде вкраплений в растительных волокнах. В качестве источников энергии анаэробные грибы используют моно-, олиго- и полисахариды, входящие в состав растительных тканей. Они обладают протеазной и гидролазной активностью, облегчающей мицелию проникновение внутрь растительных тканей и быстрое расщепление последних (4).

Бактериофаги рубца. В рубце крупного рогатого скота присутствуют в значительных количествах разные по форме и размерам бактериофаги, которые находятся как в свободном состоянии, так и в контакте с микроорганизмами. Бактериофаги не способны размножаться самостоятельно и репродуцируются только в живых клетках микроорганизмов (5). Для различных участков рубца характерно доминирование определенных типов бактерий. Существует концепция распределения микроорганизмов в рубцовой среде, согласно которой различают три вида популяций микробиоты: свободноплавающие в рубцовой жидкости бактериальные клетки, микроорганизмы, адгезированные на кормовых субстратах и роговом слое слизистой оболочки рубца (6, 7).

Первые быстро эвакуируются из рубца, время пребывания вторых зависит от скорости переваривания корма, третьи можно считать более постоянными, так как они попадают в содержимое рубца только в процессе десквамации с отмершими клетками рогового слоя слизистой оболочки. Основная масса бактерий находится на кормовых субстратах, которые обеспечивают синтез около 75 % аденозинтрифосфатов (8).

Популяция микроорганизмов рубцовой жидкости неспецифична и содержит примеси клеток, которые освободились от субстратов, к которым ранее были присоединены. Для выживания этих организмов необходимо, чтобы скорость размножения клеток превышала скорость разбавления рубцовой жидкости и эвакуации содержимого из рубца.

Микроорганизмы, находящиеся в контакте с пищевыми субстратами. Основная часть ферментации в рубце питательных веществ грубых кормов осуществляется микроорганизмами в контакте с пищевыми частицами. Адгезия бактерий к кормовым субстратам весьма специфична и обусловлена строением бактериальной оболочки, которая окружена внеклеточным слоем -- гликокаликсом. Гликокаликс в результате действия целлюлаз или амилаз способствует лизису пищевых субстратов, с которыми адгезирует (5).

Бактерии рубца переваривают растительные субстраты в различной степени. В отличие от анаэробных грибов бактерии рубца не способны лизировать ксилему и расщепляют только периферические клетки склеренхимы растительного субстрата. Нелигнифицированные ткани мезофилла и флоэмы клеток лизируются первыми при относительно невысокой бактериальной активности. Умеренно лигнифицированные наружные оболочки пучка и эпидермальные ткани частиц корма перевариваются менее интенсивно и только при обильной адгезии бактерий.

Сильно лигнифицированные ткани остаются, как правило, интактными. Локализация прикрепленных бактерий зависит от физических свойств корма, причем характер адгезии может быть разным. Плотное прилипание бактерий наблюдается на жестких клеточных стенках, а с легкоферментируемыми участками растительного субстрата бактериальные клетки адгезируют слабо. Характер корма существенно влияет на общую численность микроорганизмов и распределение их внутри рубца.

Бактерии, адгезирующие сослизистой оболочкой рубца. Эта популяция микробиоты весьма специфична и не относится к строгим анаэробным микроорганизмам рубца. Бактерии этой группы, по-видимому, регулируют отношения между анаэробной средой рубца и насыщенной кислородом стенкой преджелудков. Микроорганизмы, адгезированные на первом слое слизистой оболочки рубца, обладают высокой протеолитической и уреолитической активностью (2). Бактерии, обладающие уреазной активностью, сосредоточены в вентральной стороне рубца, где происходит наиболее интенсивное всасывание, и регулируют интенсивность транспорта мочевины через слизистую оболочку. Кроме того, эти бактерии, вероятно, принимают участие в транспорте ЛЖК и соединений серы через слизистую оболочку, а также регулируют интенсивность обновления рубцового эпителия (5).

Под действием микроорганизмов питательные вещества корма подвергаются сложным превращениям, в результате чего образуются ЛЖК, аминокислоты, аммиак и другие вещества, которые в дальнейшем участвуют в обменных процессах в организме жвачных животных (9).

Превращение в рубце углеводов, липидови азотистых соединений. Поступившие в рубец сложные углеводы подвергаются ферментативному гидролизу до ди- и моносахаридов, которые затем сбраживаются с образованием ЛЖК (уксусная, пропионовая, масляная, молочная, янтарная), а также некоторых других низкомолекулярных соединений (10). В количественном отношении преобладают ЛЖК, что объясняется низким содержанием кислорода в преджелудках жвачных и невысокой степенью окисления моносахаридов и других субстратов брожения. В клетках микроорганизмов депонируются полисахариды (11).

Активное превращение липидов корма происходит при непосредственном участии микроорганизмов рубца, которые обладают липолитическими свойствами. На бульшую часть рубцовой микробиоты ненасыщенные жирные кислоты растительных кормов оказывают подавляющее токсическое действие, так как являются веществами с поверхностно активными свойствами и активными акцепторами водорода. В связи с этим микроорганизмы рубца в процессе эволюции приспособились к превращению ненасыщенных жирных кислот в насыщенные (12). Основная роль в этом процессе принадлежит бактериям и протозоа, которые, гидролизуя липиды, в первую очередь используют продукты распада для синтеза собственных структур. При этом накопление липидов происходит как в содержимом преджелудков, так и в клетках микробиоты (4).

Микроорганизмы рубца, используя аммиак, синтезируют аминокислоты и полноценные белки, содержащие все заменимые и незаменимые аминокислоты, осуществляют гидрогенизацию липидов, синтезируют витамины и другие биологически активные вещества. При распаде гликопротеидов, белков, липидов и нуклеиновых кислот, которые присутствуют в рубце жвачных животных, могут синтезироваться и ЛЖК (13).

Образовавшаяся в преджелудках микробиотная биомасса под действием ферментов сычуга и кишечника утилизируется, освобождая белки, аминокислоты, жирные кислоты, углеводы и другие вещества, доступные для использования животными. Ежесуточно в рубце крупного рогатого скота при участии ферментов микробиоты метаболизируется и усваивается до 10 кг органических веществ (ЛЖК -- 4,5 кг, микробиальный белок -- 1,5 кг и др.), в то время как в кишечнике -- только 5 кг (14).

Таким образом, полученные в последнее десятилетие экспериментальные данные существенно меняют прежние представления о функциях рубца жвачных животных как хранилища запасов питательных веществ. В современном понимании рубец -- это функционально сложная открытая система, где подвергаются частичной или полной микробиальной деструкции до 90 % питательных веществ корма, осуществляется биосинтез незаменимых аминокислот с использованием азота небелковых азотистых соединений, синтез биологически высокоценного микробиального белка, используемого животным-хозяином, гидрогенизация и синтез новых высокомолекулярных жирных кислот, превращение сложных углеводов, в том числе труднодоступной целлюлозы, до простых сахаров и сбраживание последних до летучих жирных кислот как основного источника энергии (до 70 %) для организма жвачных (5). В рубце осуществляется биосинтез ряда витаминов, в том числе группы В и К, и других биологически активных веществ. Обладая двусторонне проницаемой стенкой, рубец не только обеспечивает гомеостаз собственного содержимого, но и участвует в поддержании постоянства внутренней среды организма.

Литература

Zitnan R., Bomba A., Kolodzieyski L. e.a. Scanning electron microscopical studies into the development of rumen epithelium and adherent bacteria in suckling lambs. Folia Veter. Kosice, 1994, 38, 1/2: 51-56.

Орско в Э.Р. Протеиновое питание жвачных животных. М., 1985: 31-53.

Долгов И.А., Долгова С.И. Микрофауна рубца и ее роль в питании жвачных. В сб.: Сельскохозяйственные животные, физиологические и биохимические параметры организма. Боровск, 2002: 335-347.

Лысов А.В. Транспорт метаболитов с кровью и лимфой и параметры липидного и углеводного обмена у животных. В сб.: Сельскохозяйственные животные, физиологические и биохимические параметры организма. Боровск, 2002: 50-71.

Тараканов Б.В. Нормальная микрофлора преджелудков жвачных. В сб.: Сельскохозяйственные животные, физиологические и биохимические параметры организма. Боровск, 2002: 259-334.

McCowan R.P., Cheng K.-J., Costerton J.W. Adherent bacterial populations on the bovine rumen wall: distribution patterns of adherent bacteria. Appl. and Environ. Microbiol., 1980, 1: 233-241.

Dehority B.A., Grubb J. Bacterial population adherent to the epithelium of the roof of the dorsal rumen in sheep. Appl. and Environ. Microbiol., 1981, 41, 6: 1424-1427.

Cheng K.-J., Costerton J.W. Adherent rumen bacteria -- their role in the digestion of plant material, urea and epithelial cells. In: Digestive physiology and metabolism in ruminants. Wesport. Conn., 1980: 227-250.

Шевелев Н.С., Грушкин А.Г. Особенности метаболизма и морфофункциональной структуры слизистой оболочки рубца жвачных животных. С.-х. биол., 2003, 6: 15-22.

Отава А.М., Скорохид В.И. Биологическая роль короткоцепочечных жирных кислот в организме жвачных животных. С.-х биол., 1992, 2: 122-129.

Савченко Ю.И., Мусиенко Н.В. Рубцовый метаболизм и углеводно-жировой обмен у коров при скармливании различных углеводистых кормов. Висн. аграрн. науки, 1994, 4: 65-74.

Williams J. Progres resent de la rechereche sur les acides gras essentials. Oleagineusc., 1980, 35, 10: 457-459.

Шевелев Н.С., Мартюшов В.М., Грушкин А.Г. Роль летучих жирных кислот в обмене веществ и энергии у жвачных животных. Изв. ТСХА, 2001, 2: 160-177.

Jouany J.P. Role de lecoysteme du rumen dans la digestion des aliments chez le ruminant. C.R. Acad. Agr. Fr., 1998, 84, 1: 121-134.

Размещено на Allbest.ru