Интенсивность и направленность осуществляемых микрофлорой преджелудков бродильных процессов, обусловливающих характер превращения корма и эффективность его использования, определяются многими факторами. К ним относятся: состояние животного, состав кормов, а также соотношение отдельных групп микроорганизмов в рубце.
Работами отечественных и зарубежных исследователей установлено, что изменение набора кормов в рационе приводит к перестройке соотношения отдельных видов в популяции микроорганизмов рубца, а, следовательно, к изменению направленности биохимической деятельности микрофлоры преджелудков. С этой точки зрения несомненный интерес представляют рационы жвачных, различающиеся уровнями энергии и протеина, соотношениями различных источников энергии и форм азота, включенными добавками и биологически активными веществами.
Интересными представляются изменения микрофлоры рубца в связи с условиями протеинового питания жвачных животных, в частности при замене части или всего азота корма синтетическими азотистыми веществами (САВ). В опытах на лактирующих коровах в рационе которых 20 30 и 40% переваримого протеина было заменено эквивалентным по азоту количеством мочевины, показали, что длительное скармливание животным средних доз мочевины (20 и 30%) не вызывает значительных изменений общего числа микроорганизмов в рубце и их целлюлозолитической активности. Замена же 40% переваримого протеина корма мочевиной сопровождалась снижением в содержимом рубца численности стрептококков и ослаблением целлюлозолитической активности. В дальнейших исследованиях с использованием смеси мочевины с сульфатом и фосфатом аммония было установлено, что при восполнении 10% переваримого протеина смесью САВ в содержимом рубца уменьшается количество иодофильных микробов и снижается его амилолитическая активность. Положительное влияние на микрофлору преджелудков у откармливаемых бычков оказывало восполнение 19-30%-го дефицита протеина амидофосфатом. В содержимом рубца общее количество микроорганизмов повышалось на 17,2%, а простейших — на 87,3%. При этом возрастали концентрации нуклеиновых кислот и белкового азота, что свидетельствует об эффективном использовании азота амидофосфата в синтезе микробного белка. Скармливание амидофосфата приводило также к усилению и изменению направленности углеводного обмена в преджелудках. Так, общий уровень летучих жирных кислот в преджелудках бычков, получавших подкормку, возрос до 10,4 ммоля на 100 мл содержимого по сравнению с 9,2 ммоля у контрольных животных; уровень уксусной кислоты увеличился до 62,5% (51,5% в контроле), а пропионовой и масляной кислот снизился. Аналогичное действие амидофосфата наблюдали и в опытах на овцах, в сбалансированных рационах которых 26% протеина (преимущественно соевого шрота) заменяли амидофосфатом.
Большое значение имеет вопрос скармливания жвачным САВ в качестве единственного или основного источника азота. В подобных исследованиях обычно используют очищенные или полусинтетические рационы. В литературе отмечается, что при таких условиях кормления микрофлора и микрофауна рубца жвачных претерпевают глубокие количественные и качественные изменения. Так, при даче рсрупному рогатому скоту кормосмесей из чистых питательных веществ в содержимом рубца уменьшается число простейших или они исчезают полностью, в то время как количество бактерий значительно возрастает. Кроме того, установлено, что как источник азота, так и соотношение питательных веществ в кормосмесях оказывают существенное влияние на микрофлору преджелудков. Опыты, проведенные на бычках, получавших рацион из мочевины и древесной пульпы, показали, что замена последней крахмалом приводила к уменьшению пропорции гидролизующих мочевину микроорганизмов, а количество лактобацилл и руминококков существенно не изменялось. При сравнительном изучении четырех небелковых источников азота обнаружено преобладание в микробной флоре анаэробных лактобацилл и Bacteroides amylophilus. Последних в содержимом рубца бычков, получавших мочевину и фосфат мочевины, было больше, чем у животных, которым скармливали биурет и мочевую кислоту. Процент факультативных анаэробов и микробов, продуцирующих сероводород, был более высоким у бычков, в рацион которых вводили биурет. Целлюлозолитических микроорганизмов было больше в рубце животных, содержавшихся на рационе с мочевой кислотой, а у бычков, которым скармливали мочевину, возрастала численность амилолитических бактерий. Переводить овец с натурального рациона на синтетический следует в течение 12-24 дней. В процессе адаптации микрофлоры к кормосмесям с мочевиной в содержимом рубца увеличивалось количество йодофильных микробов и селеномонад, повышалась его амилолитическая активность, но наблюдались уменьшение числа простейших, обеднение их родового состава и падение целлюлозолитической активности.
Сравнительное изучение кормосмесей с разными источниками азота показало, что при скармливании мочевины (I группа) и казеина (II группа) метаболические процессы в преджелудках поддерживаются на достаточно высоком уровне и обеспечивается равноценный биосинтез липидов и микробного белка, но существенно изменяется интенсивность и направленность углеводного обмена. Карбамид усиливает использование углеводов и благоприятствует образованию пропионата, тогда как скармливание казеина сопровождается повышенным накоплением бутирата. Интересные данные получены при включении в кормосмесь для овец протеина подсолнечникового шрота (менее растворимого, чем казеин), а также карбамида в комбинации с донаторами метальных групп. При замене в кормосмеси протеина подсолнечникового жмыха на эквивалентное по азоту количество мочевины с добавкой 2 г метионина не обеспечивалась адекватная интенсивность метаболических процессов в преджелудках, холинхлорид же, вносимый в дозе 1 г на 1 кг кормосмеси, оказался эффективным стимулятором синтеза микробного белка из мочевины, поддерживающим высокую бродильную активность микрофлоры.
Из приведенных данных видно, что условия азотистого питания жвачных животных являются мощным фактором регуляции интенсивности и направленности метаболических процессов в преджелудках.
Одна из особенностей питания жвачных животных — их способность использовать значительные количества клетчатки. Ее расщепление в преджелудках до более простых углеводов осуществляется целлюлозолитическими микроорганизмами, бродильная активность которых в зависимости от удовлетворения пищевых потребностей может значительно изменяться.
Однако на переваримость клетчатки у жвачных влияет не только видовой состав целлюлозолитической микрофлоры. Большое значение имеют структура скармливаемого животному рациона, источник и уровень клетчатки, а также степень ее лигнификации, степень измельчения грубого корма и другие факторы.
Установлено, что существенное влияние на формирование и метаболическую активность целлюлозолитической микрофлоры в рубце коров оказывает уровень клетчатки в рационе. Максимальной способностью к перевариванию клетчатки обладала микрофлора, формирующаяся в рубце при содержании клетчатки в рационе 17% , при уровне 13 и 22% способность микрофлоры к ее перевариванию снижалась. Изучение потребности в ростовых факторах показало, что отмытые бактерии рубца, выделенные от животных, в рационе которых клетчатка составляла 13 и 22% , нуждались в смеси изомасляной, изовалериановой и валериановой кислот. Макрофлора, формировавшаяся в рубце коров при уровне клетчатки в рационе 17%, в этих кислотах не нуждалась.
Эти данные, по-видимому, свидетельствуют о том, что содержание клетчатки в рационе оказывает существенное влияние на соотношение видов целлюлозолитических бактерий в рубце, потребность которых в питательных веществах и факторах роста различна. Об этом, хотя и косвенно, можно судить по соотношению образуемых метаболитов углеводного обмена.
Минимальные количества ацетата и пропионата и максимальные С4-С5-кислот нормального изостроения продуцировали отмытые бактерии из рубца коровы, получавшей рацион с небольшим содержанием клетчатки. Наблюдавшееся соотношение метаболитов в культуральной жидкости, вероятно, указывает на то, что для целлюлозолитических руминококков и палочек вида Bacteroides succinogenes, образующих главным образом уксусную кислоту, условия для развития были неоптимальными. Наоборот, устанавливающийся в рубце при низком уровне клетчатки тип брожения способствовал более полному удовлетворению пищевых потребностей бактерий из рода Butyrivibrio, главным продуктом углеводного обмена которых является бутират, а также Cillobacterium ceilulosolvens, образующие вместе с лактатом заметные количества масляной и валериановой кислот.
С увеличением клетчатки в рационе способность отмытой микрофлоры к образованию ацетата из целлюлозы заметно возрастала. При содержании в рационе 17% клетчатки в составе ЛЖК 38% приходилось на ацетат, а при 22% уксусная кислота составляла уже 57,7% суммы ЛЖК. Вместе с этим наблюдалось повышение уровня пропионата и резкое снижение молярных процентов 4-5-углеродных жирных кислот. Отмеченные изменения в соотношениях метаболитов углеводного обмена могут быть объяснены только различиями в видовом составе целлюлозолитической микрофлоры.
Аналогичные данные были получены и при инкубации в этих же условиях цельного содержимого рубца. Как и с отмытыми бактериями, большее количество ацетата образовывалось целлюлозолитической микрофлорой, формирующейся в рубце при максимальном уровне клетчатки в рационе. Молярный процент ацетата с 21,2-26,9 при среднем и низком уровне клетчатки возрастал до 47,8 при высоком, в то время как доля бутирата уменьшалась соответственно с 20—14,8 до 10% . Определение соотношений ЛЖК в содержимом рубца коров также показало, что молярный процент уксусной кислоты повышался с увеличением клетчатки в рационе. Следовательно, способность складывающейся в преджелудках ассоциации микробных видов к образованию ацетата из целлюлозы находится в прямой зависимости от количества клетчатки в рационе. Низкое содержание ее благоприятствует развитию микрофлоры с повышенной способностью к продуцированию из клетчатки бутирата.
Как уже было отмечено, переваримость клетчатки зависит не только от ее уровня в рационе, но и от степени лигнификации. Замена в рационе лактирующих коров 40 и 70% сена соломой с одновременным увеличением крахмала, но при постоянном содержании клетчатки в преде лах 20,2-20,6% приводит к повышению в рубце коров численности йодофильных, амилолитических, лактатферментирующих бактерий и селеномонад, уменьшению количества простейших и снижению целлюлозолитической активности. В опытах на козлах, получавших рационы с разными источниками клетчатки (сено и силос, свежескошенная трава и березовые веники), обнаружено, что самая низкая целлюлозолитическая активность была при даче веточного корма, а наиболее высокая — при скармливании зеленой травы.
Не менее выраженное регулирующее действие на целлюлозолитическую активность микрофлоры рубца оказывают уровни и соотношения легкогидролизуемых углеводов в рационе. Рационы, содержащие сахара из расчета 3-4 г на 1 кг живой массы животного, обеспечивают оптимальное соотношение различных групп микроорганизмов и простейших в рубце овец и максимальную целлюлозолитическую активность. Снижение уровня сахара до 0,7 г/кг (сахаро-протеиновое отношение 0,3) не приводит к резким сдвигам в структуре микрофлоры рубца, но сопровождается ослаблением ее целлюлозолитической активности. При даче овцам сахара в дозе 5,5 г на I кг живой массы в содержимом их рубца резко возрастало количество молочнокислых, амилолитических и лактатферментирующих бактерий, но значительно уменьшалась численность простейших и в первые 6 ч после кормления несколько снижалась целлюлозолитичеекая активность. Высокая целлюлозолитическая активность микрофлоры рубца овец наблюдалась при использовании рационов, в которых легкогидролизуемые углеводы (сахар + крахмал) составляли 5-6 г в расчете на 1 кг живой массы животных при соотношении сахара к крахмалу, близком 1:2. Повышение уровня легкогидролизуемых углеводов в рационе до 8,5 г на 1 кг живой массы, независимо от соотношения сахара и крахмала, приводит к ингибированию целлюлозолитической активности микрофлоры рубца. Важными факторами регуляции целлюлозолитической активности микрофлоры рубца могут быть аминокислоты. Показано, что переваривание клетчатки стимулирует пролин, который преобразуется путем восстановительного дезаминирования в валериановую кислоту. Лизин и цистеин, добавленные к содержимому рубца, усиливают его целлюлозолитическую активность. В опытах на овцах, которым вместе с мочевиной скармливали смесь лизина с метионином, не обнаружили стимулирующего влияния этих аминокислот на переваримость клетчатки. Из 19 изученных аминокислот переваривание клетчатки in vitro улучшал только L-метионин, а L-формы лейцина, триптофана и треонина незначительно ингибировали ее.
Влияние различных доз L-лизина и DL-метионина на переваривание целлюлозы микроорганизмами жвачных in vitro изучал Тараканов (1974). Автор отмечает, что как лизин, так и метионин стимулировали переваривание целлюлозы, но этот эффект в значительной степени зависел от концентрации аминокислот в среде. Если небольшие концентрации лизина улучшали переваривание целлюлозы незначительно, то с повышением дозы этой аминокислоты заметно возрастал и стимулирующий эффект. Особенно четко положительное влияние лизина на переваривание целлюлозы проявилось при дозе его в среде 5 и 10 мг/мл.
Стимулирующее действие метионина на переваривание целлюлозы микроорганизмами рубца, наоборот, наблюдалось при низких концентрациях этой аминокислоты (0,01 — 0.1 мг/мл). При содержании в среде 1 мг/мл аминокислоты переваривание целлюлозы существенно не отличалось от такового в контроле, в то время как дальнейшее повышение концентрации метионина ингибировало расщепление целлюлозы, причем особенно четко при дозе 10 мг/мл. Необходимо отметить, что, как правило, влияние аминокислот на переваривание целлюлозы не зависело от получаемого животными корма и лишь в четвертом опыте на овцах, которым давали метионин, стимулирующего действия как лизина, так и метионина не наблюдалось.
Механизм стимуляции переваривания целлюлозы лизином и метионином, по-видимому, тесно связан с катаболизмом этих аминокислот микроорганизмами рубца. Известно, что одним из продуктов катаболизма лизина является 6-аминовалериановая кислота, судьба которой в рубце жвачных все еще не ясна. Однако показано, что 8-аминовалериановая кислота, образующаяся из L-пролина, первоначально превращается в валериановую кислоту. Штамм Clostridium, выделенный из сточных вод, разрушал 6-аминовалериановую кислоту путем сопряженного окислительно-восстановительного процесса, в котором 2 моля этой аминокислоты превращалось в 2 моля аммиака и по 1 молю валериановой, пропионовой и уксусной кислот. Эти данные позволяют считать, что в случае применения лизина стимулирующее действие его на переваривание целлюлозы микроорганизмами рубца опосредовалось через образование валериановой кислоты, положительное действие которой на целлюлозолитические микроорганизмы хорошо известно. Это подтверждают данные, полученные на овцах, которым скармливали L-лизин в дозе 5 г на голову в день. В содержимом рубца подопытных животных через 16 часов после последней дачи лизина повышалась целлюлозолитическая активность, что положительно коррелировало с суммарным увеличением молярных процентов валериановой и изовалериановой кислот.
Стимулирующее действие низких концентраций метионина, вероятно, было связано с удовлетворением потребности микроорганизмов рубца в сере, поскольку некоторые из них в чистой культуре предпочитают серу сульфаминокислот неорганической. Ингибирующий эффект относительно высоких доз метионина (5-10 мг/мл), по-видимому, объясняется его токсичностью, которая наблюдалась в опытах на животных.
Необходимо отметить, что при скармливании жвачным аминокислот они не только воздействуют на целлюлозолитическую активность микрофлоры рубца. Так, дача лактирующим коровам и овцам метионина сопровождается изменениями в соотношениях различных групп микроорганизмов и способствует увеличению синтеза микробного белка. Введение в рацион овец кормовых препаратов L-лизина, DL-метионина и их смеси приводит к изменениям в соотношениях различных групп микрофлоры и микрофауны преджелудков, что обеспечивает высокую ферментативную активность последней и повышенный синтез микробного белка без дополнительных затрат энергии и протеина. Лизин, скармливаемый в дозе 5 г на 1 голову в сутки, способствует развитию лактатферментирующих микроорганизмов, угнетает амилолитическую и протеолитическую активность содержимого и не оказывает отрицательного влияния на целлюлозолитическую активность и уровень ЛЖК в рубце. Применение метионина (2 г) и аминокислотной смеси, состоящей из 5 г лизина и 5 г метионина, благоприятствует развитию в рубце амилолитических, лактатферментирующих и усваивающих азот мочевины микроорганизмов, а также усиливает целлюлозолитическую активность микрофлоры. При совместном введении в рацион метионина и лизина ингибирующее действие последнего на амилазную активность не проявляется, тогда как протеолитическая и липолитическая активность микрофлоры рубца снижается.
Эксперименты показали, что L-формы цистеина, глутаминовой кислоты, лизина и DL-формы треонина, лейцина, глицина, серина, валина и метионина в концентрации 1 мг/мл среды в условиях in vitro ингибируют протеолитическую активность микрофлоры рубца овец. Подобный эффект на протеолитическую активность оказывало скармливание овцам L-лизина, DL-метионина или их смеси, а также дача лизина или метионина лактирующим коровам. Максимальное ингибирование протеолитической активности микрофлоры рубца у овец и коров отмечено при дополнительном введении в рацион L-лизина.
Механизм действия аминокислот на протеолитическую активность микроорганизмов рубца, по-видимому, состоит в подавлении синтеза микробами протеиназ. Это мнение подтверждается тем, что протеолитическая активность бесклеточной жидкости при ее инкубации в частности с лизином или метионином, in vitro не снижалась, т. е. аминокислоты не ингибировали действия свободных протеиназ.
Ингибирующее действие аминокислот на протеолитическую активность микрофлоры рубца дает основание предполагать, что добавление в рацион жвачным лизина и метионина частично предохраняет кормовые белки от гидролиза в преджелудках и тем самым способствует лучшему их использованию в кишечнике.
Все изложенное не оставляет сомнения в том, что направленная регуляция метаболических процессов в преджелудках вполне возможна. Однако проведенные в этом плане исследования пока еще сравнительно малочисленны. Поэтому определение уровней, соотношения и источников питательных веществ в рационах жвачных, особенно высокопродуктивных, а также поиск других факторов регуляции, обеспечивающих оптимальные условия для деятельности микрофлоры в преджелудках, — актуальные задачи науки о питании жвачных животных.