Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ПОВЫШЕНИЯ ПЕРЕВАРИМОСТИ КОМПОНЕНТОВ КОРМА СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫМИ ЖИВОТНЫМИ

Изобретение относится к сельскому хозяйству и может быть использовано при внедрении нанотехнологий в отрасли животноводства.

Наноформы эссенциальных металлов и их соединений нашли широкое применение в животноводстве в качестве препаратов микроэлементов, что определилось меньшей их токсичностью [1, 2, 3] более высокой биодоступностью из наноформ в сравнении с традиционными препаратами [4], а также возможностью совместного применения металлов-антагонистов [5].

Особенностью действия наночастиц металлов на организм является способность легко проникать через все защитные барьеры организма во все органы и ткани и в биотических дозах стимулировать обменные процессы и т.д. [6, 7].

В животноводстве внимание уделяется в большей степени таким металлам как железо и кобальт, в том числе их наноформам, так как они являются одними из наиболее значимых микроэлементов, обеспечивающих нормальное протекание основных физиологических процессов в организме животных [8].

Известно, что введение в рацион бычков нанопорошков кобальта в дозе 0,02 мг/кг корма и железа в дозе 0,08 мг/кг способно нормализовать картину лейкограммы крови животных, что является одним из критериев улучшения физиологического состояния организма и приводит к усилению интенсивности роста и усилению основных показателей иммунитета [9].

По результатам эксперимента О.А. Камыниной ультрадисперсные частицы (УДЧ) кобальта при введении в рацион бычков герефордской породы оказывают положительное влияние на физиологическое состояние [10].

Скармливание молодняку крупного рогатого скота препаратов УДЧ сопровождается изменениями в рубцовом пищеварении. Причем наиболее значительно - при использовании наночастиц латуни и железа, что приводит к увеличению концентрации ЛЖК и аммиака в рубцовом содержимым на 11,9-13,9% и 20,2-25,3% соответственно. Число инфузорий в рубце также возрастает на 8,9-11,9% [11].

При введении кобальта в рацион повышает у жвачных синтез витамина В12 и кроветворение. Кобальт активирует некоторые гидролитические ферменты, например, аргиназу, фосфатазу, инактивирует уреазу и ингибирует действие пепсина [12]. Сульфаты и хлориды кобальта в сочетании с другими микроэлементами повышают активность сукцинатдегидрогеназы и каталазы крови [13].

УДЧ кобальта способствует повышению прироста массы тела, улучшает биохимический профиль крови, стимулирует усвоение питательных веществ рациона и активизирует процессы липидного обмена, что в дальнейшем положительно влияет на продуктивность телок [14].

Под действием УДЧ железа в организме опытных животных происходит изменение аминокислотного обмена, повышается синтез незаменимых и заменимых аминокислот, повышается белковый, углеводный обмены в организме животных. Все это повышает пищевую ценность мяса [15].

Согласно D. Huber et al., в настоящее время наноформы марганца, железа, меди и цинка эффективно используются для увеличения степени переваримости питательных веществ [16].

При использовании УДЧ сплава железа и кобальта в составе рационов отмечается повышение уровня эссенциальных и условно эссенциальных микроэлементов, и снижения уровня токсичных элементов в теле рыб. Помимо этого, наночастицы железа способны ускорять рост животных и птиц, и характеризуются большей биодоступностью (96%) по сравнению с неорганическими солями железа и его органическими формами [17, 18].

УДЧ железа благоприятно воздействует на процессы пищеварения, увеличивает переваримость питательных веществ корма. В итоге повышает среднесуточные приросты бычков. Благоприятно воздействует и на морфологический и биохимический состав крови. Вследствие этого, оксид железа может использоваться как биологически активная добавка в рацион молодняка крупного рогатого скота [19].

Известно, что одновременное внесение в рацион сельскохозяйственных животных наночастиц железа и наночастиц кобальта способствует активации пищеварительных ферментов, улучшающих переваривание и усвоение питательных веществ рациона [20]. Однако такой способ повышения переваримости компонентов корма требует отдельного приготовления дозировок наночастиц железа и кобальта, и внесения в рацион, что является трудоемким.

В связи с этим альтернативным решением поиска новых способов, оказывающих положительное влияние на переваримость компонентов корма, является использование высокодисперсных частиц сплава FeCo в виде добавки к рациону.

Исследования были проведены в условиях in vitro и in situ в отделе кормления сельскохозяйственных животных и технологии кормов им. профессора С.Г. Леушина ФГБНУ «Федеральный научный центр биологических систем и агротехнологий Российской академии наук» (ФНЦ БСТ РАН), путем моделирования процессов пищеварения жвачных животных. В эксперименте был использован препарат наночастиц сплава FeCo (70% железа и 30% кобальта) размером 62,5 нм, полученные газофазным методом. В качестве корма были использованы пшеничные отруби в натуральном виде.

Для проведения исследования in vitro при помощи «искусственного рубца KPL 01» было приготовлены 2 группы проб: I группа (контрольная) -образцы, содержащие только пшеничные отруби; II группа (опытная) -образцы, содержащие только пшеничные отруби с добавлением препарата наночастиц сплава FeCo.

Подготовку препарата наночастиц проводили в изотоническом растворе путем ультразвуковой обработки точной навески в течение 30 минут. Время диспергирования для получения лиозолей наночастиц было выбрано экспериментально. Для этого навески порошка наночастиц диспергировали путем обработки ультразвуком частотой 35 кГц (f-35 кГц, N-300 Вт, А-10 мкА). После проведения диспергирования наночастицы в концентрации 5 мг/кг корма вносили в рацион.

Переваримость сухого вещества in vitro была установлена по методике доктора В. Лампетера в модификации Г.И. Левахина, А.Г. Мещерякова (2003) при помощи «искусственного рубца KPL 01». Методика исследования предполагала подготовку проб корма по 500 мг сухого вещества измельченного образца, каждый, предварительно в зависимости от задач корма смешивали с наночастицами соответствующей концентрации и помещали в мешочки, изготовленные из полиамидной ткани, которые предварительно были взвешены и пронумерованы. Мешочки зашивались и закреплялись при помощи зажимного приспособления на валике. Затем мешочки на валике помещали в прибор "искусственный рубец KPL 01".

Лишь после того, когда смесь содержимого рубца и буферного раствора была подготовлена и «успокоилась» стеллаж с мешочками помещался в ванну. Затем включали электромотор и термостат закрывали, чтобы при 39°С микробы рубца смогли достичь наивысшей активности.

Переваривание проб корма в искусственном рубце продолжалось 48 часов. После этого образцы промывали под проточной водой и помещались в раствор пепсина в «искусственный рубец» и на 24 часа помещали в термостат. По окончанию процедуры образцы промывались в проточной воде и высушивались по стандартной методике для определения воздушно сухого и абсолютно сухого вещества.

Уровень переваривания сухого вещества кормов in vitro определяли по разности массы образца корма вместе с мешочком и после двухстадийной инкубации и высушивания до постоянной массы при температуре 60°С по следующей формуле:

К=(А-В)/С×100%, где

К - коэффициент переваримости сухого вещества корма (%);

А - исходная масса образца корма вместе с мешочком (г);

В - масса образца корма вместе с мешочком после переваривания (г);

С - исходная масса образца корма без массы мешочка (г).

Для изучения влияния наночастиц сплава FeCo на переваримость кормов методом in situ были сформированы 2 группы проб: I группа образцов содержала по 5 г сухого корма, размолотого на мельнице; II группа образцов включала по 5 г сухого корма, размолотого на мельнице с добавлением наночастиц сплава FeCo в дозе 5 мг/кг корма. Все тестируемые образцы первой и второй групп закладывали в нейлоновые мешочки. После этого наполненные нейлоновые мешочки погружали в рубец животного через фистульное отверстие на 3 и 6 часов экспозиции. По истечению времени мешочки извлекали, отмывали под слабой струей воды, высушивали и рассчитывали переваримость в рубце.

С целью изучения влияния наночастиц сплава FeCo на особенности рубцового пищеварения проводили исследование таких показателей рубцовой жидкости как: целлюлозолитическая и амилолитическая активность, элементный состав. Для этого у фистульных животных брались пробы рубцового содержимого в количестве 300 мл до кормления, через 3 и 6 часов экспозиции. Пробы фильтровали через 4 слоя марли, в жидкой ее части определяли концентрацию водородных ионов (рН) ионометром рН-150МИ.

Целлюлозолитическую активность оценивали в соответствии с методикой В.И. Георгиевского (1976) по разнице веса нитей до и после инкубации. Мы отбираем 200 мл рубцового содержимого. Далее заполняли термос дистиллированной водой, нагретой до 39-40°С, которую выливаем из него перед взятием пробы рубцового содержимого. Содержимое фильтруем через 4 слоя марли в стакан, помещенный в водяную баню с температурой 39°С. Затем в пробирки помещаем целофановые полоски. Полоски обмываем дистиллированной водой, смесью спирта с эфиром (1:1), далее они высушиваются при 105°С до постоянного веса и взвешиваются на аналитических весах. Пробирки помещаем в водяную баню с температурой 39°С. В каждую пробирку наливаем 30 мл рубцовой жидкости. Далее содержимое пробирок заливаем вазелиновым маслом и ставим в термостат на 24 ч при 39°С. Затем целлофановые полоски опять обрабатываем как было вышесказанно и взвешиваем. По разнице веса целлофановых полосок до инкубирования и после него определяют целлюлозолитическую активность ферментов микрофлоры рубца крупного рогатого скота. Расчет производится в процентах расщепления глюкозы по формуле:

Амилолитическая активность базируется на принципе расщепления крахмала микробной амилазой на фотоэлектроколориметре (КФК-2). Для начала мы смешивали раствор крахмального субстрата с фосфатным буфером, который был поставлен в водяную баню при 40°С, после этого добавляли рубцовую жидкость. Тщательно взбалтывали и переносили в колбы с соляной кислотой, для того чтобы прекратить действие микробных ферментов. Затем добавляли калий йод-йодистый и дистиллированную воду (это проба до инкубации). После этого пробирки выдерживали в водяной бане 1 ч при температуре 40°С. По завершении инкубации пробу переносят в мерную колбу с соляной кислотой. Добавляем также калий йод-йодистый и дистиллированную воду (это проба после инкубации).

Полученные растворы проб исследуют ФЭКе в кюветах на 5 мм при 620 нм против дистиллированной воды. Амилолитическая активность выражается формулой:

х=(А-В)*20,

где х - количество крахмала, расщепленного 1 мл содержимого рубца за 1 ч, мг; А - количество крахмала в растворе до инкубации, мг; В - количество крахмала после инкубации, мг; 20 - коэффициент перерасчета на 1 мл содержимого, рубца.

Исследование элементного состава рубцовой жидкости животных производилось в лаборатории АНО «Центр биотической медицины», г. Москва (аттестат аккредитации №. РОСС RU.0001.22ПЯ05) атомно-эмиссионной спектрометрией и масс спектрометрией с индуктивно связанной плазмой (Optima 2000 V, «Perkin Elmer» США) и масс-спектральным методом исследования (Elan 9000, «Perkin Elmer» США).

Статистическую обработку полученных данных проводили с использованием программного пакета «Statistica 6.0». Полученные результаты достоверны при р≤0,05.

Результаты исследования как in vitro, так и in situ показали положительное влияние наночастиц на переваримость используемого корма.

Анализ полученных данных в эксперименте in vitro показал, что процент переваримости контрольных образцов составляет 68,83%, тогда как при использовании наночастиц FeCo в концентрации 5 мг/кг корма переваримость составила 71,2%, что на 3,5% больше (табл. 1).

Исследования in situ в рубце по оценке биологической активности препарата наночастиц FeCo на модели «корм-рубец» также выявили, что при добавлении в корм наноформ FeCo переваримость через 3 часа увеличивается на 12,9% (Р≤0,001) относительно контроля, через 6 часов на 2,15% (Р≤0,05) (табл. 2).

Анализ целлюлозолитической активности рубцовой жидкости после инкубации с исследуемыми наночастицами показал незначительное увеличение показателей на 1,26 и 1,1% после 3 и 6 часов экспозиции, тогда как амилолитическая активность была достоверно выше контрольных значений на 2,6% через 3 часа и на 5,1 (Р<0,05) через 6 часов эксперимента (табл. 3).

Исследование элементного состава рубцовой жидкости показал, что использование препарата наночастиц FeCo приводило к достоверному снижению содержания мышьяка на 60% (Р≤0,05) и никеля на 45% (Р≤0,05) относительно контроля через 6 часов экспозиции (табл. 4).

Таким образом, результаты исследования показали, что использование препарата наночастиц FeCo в рационе сельскохозяйственных животных является эффективным методом повышения переваримости компонентов корма и снижения уровня токсичных элементов в рубцовой жидкости за короткий промежуток времени. Сочетание наночастиц FeCo с кормом может быть рекомендовано как эффективный способ для повышения усвоения питательных веществ рациона сельскохозяйственными животными.

Список литературы

1. Zhang J, Wang Н, Yan X, Zhang L. 2005. Comparison of short-term toxicity between Nano-Se and selenite in mice. LifeSci. Jan 21; 76(10): 1099-109.

2. Hao L, Wang Z, Xing B. 2009. Effect of sub-acute exposure to TiO2 nanoparticles on oxidative stress and histopathological changes in Juvenile Carp (Cyprinuscarpio). J EnvironSci (China). 21(10): 1459-66.

3. Wang H, Sun X, Liu Z, Lei Z. 2014. Creation of nanopores on graphene planes with MgO template for preparing high-performance supercapacitor electrodes. Nanoscale. May 7.

4. Rohner F, Ernst FO, Arnold M, Hilbe M, Biebinger R, Ehrensperger F, Pratsinis SE, Langhans W, Hurrell RF, Zimmermann MB. 2007. Synthesis, characterization, and bioavailability in rats of ferric phosphate nanoparticles. J Nutr. Mar; 137(3): 614-9.

5. E.A. Сизова, С.А. Мирошников, С.В. Лебедев, А.В. Кудашева, Н.И. Рябов О перспективности нанопрепаратов на основе сплавов микроэлементов-антагонистов (на примере Fe и Со) Сельскохозяйственная биология, 2016. том 51, №4, с. 553-562.

6. World Health Organization 2008. Global Database on Anaemia, World Health Organization, Geneva, Switzerla

7. Cancelo-Hidalgo M. J., Castelo-Branco C., Palacios S., Haya-Palazuelos J., Ciria-Recasens M., Manasanch J., Perez-Edo L. 2013. Tolerability of different oral iron supplements: a systematic review. Curr. Med. Res. Opin. 29, 291-303.

8. Каширина, Л.Г. Ветеринарно-санитарная оценка качества продуктов убоя свиней при введении в рацион наноразмерного порошка железа / Л.Г. Каширина, В.В. Кулаков // Вестник Рязанского государственного агротехнологического университета им. П.А. Костычева. - 2012. - №4 (16). - С. 36-38.

9. Алексеева, Л.В. Изменение лейкограммы крови у бычков герефордской породы при введении в рацион нанопорошков микроэлементов / Л.В. Алексеева, Л.В. Кондакова, О.А. Камынина // Ученые записки Казанской государственной академии ветеринарной медицины им. Н.Э. Баумана. - 2013. - Т. 214. - С. 38-43.

10. Камынина, О.А. Физиологическое состояние бычков герефордской породы при введении в рацион нанопорошков меди и кобальта / О.А. Камынина // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. - 2013. - №1 (39). - С. 62-64.

11. Мирошников, И.С. Влияние препаратов наночастиц металлов-микроэлементов на рубцовое пищеварение и метаболизм химических элементов в системе "бактерии-простейшие" рубца / И.С. Мирошников // Вестник мясного скотоводства. - 2017. - №1 (97). - С. 68-77.

12. Болотнов, Л. Минеральные вещества и витамины в рационах лактирующих коров / Л. Болотнов // Комбикорма. - 2002. - №4. - С. 52, 53.

13. Кравцив, Р.И. Метаболические процессы и продуктивные качества крупного рогатого скота под влиянием микроэлементов и критерии оценки обеспеченности ими / Р.И. Кравцив // Новые аспекты участия биологически активных веществ в регуляции метаболизма и продуктивности сельскохозяйственных животных. Тезисы докладов Всесоюзного совещания. - 1991. - С. 61-63.

14. Кравцив, Р.И. Метаболические процессы и продуктивные качества крупного рогатого скота под влиянием микроэлементов и критерии оценки обеспеченности ими / Р.И. Кравцив // Новые аспекты участия биологически активных веществ в регуляции метаболизма и продуктивности сельскохозяйственных животных. Тезисы докладов Всесоюзного совещания. - 1991. - С. 61-63.

15. Тезиев, Т.К. Минеральный и аминокислотный состав мяса бычков при использовании наножелеза / Т.К. Тезиев, А.Т. Кокоева, Ал.Т. Кокоева, А.Х. Дзанагов // Известия Горского Государственного Аграрного Университета. - 2012. - Т. 49. - №4. - С. 126-129.

16. Huber, D.L. Synthesis, Properties, and Applications of Iron Nanoparticles / D.L. Huber // Small. - 2010. - V. 1(5). - P. 482-500.

17. Мирошникова, E.П. Изменение гематологических параметров карпа под влиянием наночастиц металлов / Е.П. Мирошникова, А.Е. Аринжанов, Ю.В. Килякова // Достижения науки и техники АПК. - 2013. - №5. - С. 55-57.

18. Мирошникова, Е.П. Обмен химических элементов в организме карпа при использовании наночастиц кобальта и железа в корме / Е.П. Мирошникова, А.Е. Аринжанов, Н.Н. Глушенко, С.П. Василевская // Вестник Оренбургского государственного университета. - 2012. - №6(142). - С. 170-175.

19. Хубулова, З. Использование нанопорошка железа при откорме бычков / З. Хубулова, А.Т. Кокоева // 2016. - С. 93-96.

20. Назарова А.А. Влияние нанопорошков железа, кобальта и меди на физиологическое состояние молодняка крупного рогатого скота: диссертация … кандидата биологических наук: 03.00.13 - физиология. - Рязань, 2009. - 137 с.

Примечание: OP - основной рацион представлен пшеничными отрубями, * - Р≤0,05; ** - Р≤0,01; *** - Р≤0,001

Примечание: * - Р≤0,05; ** - Р≤0,01; ***- Р≤0,001