Минимизация потерь от поля до кормового стола

Основные потери – это биологические. Они возникают из-за того, что процессы ферментации, происходящие при силосовании, необыкновенно динамичны и их направленность при определенных обстоятельствах может внезапно измениться в худшую сторону. Не обоснованный выбор культур и сроков уборки зеленой массы, высокая влажность, не достаточная герметичность укрытия траншеи, длительный контакт корма с кислородом при скармливании могут привести к тому, что силос станет источником проблем со здоровьем и продуктивностью стада.

Когда погода не радует 

Многочисленные осадки в период заготовки кормов создают для сельхозпредприятий нашей страны особую проблему. Известно, что содержание сухого вещества (СВ) в заготавливаемой тимофеевке должно составлять не менее 30%, для люцерны эта показатель еще выше - не менее 38% (по рекомендациям ФНЦ «ВИК им. В.Р. Вильямса»), чего достичь на практике не всегда удается. Показатели ниже этой границы связаны с возрастанием риска потери питательных веществ (например, сахаров, необходимых для развития молочнокислых бактерий) из-за стока. Еще большая угроза высокой влажности сырья заключается в повышении вероятности вторичной ферментации вследствие бурного развития нежелательных микроорганизмов, таких, как клостридии и плесневые грибы. Их совместная активность приводит к значительным потерям сухого вещества, деградации сахаров и ценных белков до опасных биогенных аминов, аммиака, микотоксинов. Развитие этих микроорганизмов приводит не только к снижению питательности, но и возникновению проблем со здоровьем крупного рогатого скота, в том числе, метаболических нарушений и падения показателей воспроизводства. Снижается поедаемость, а значит, потребление сухого вещества, что приводит к недополучению молока.

В ситуации, когда погодные условия препятствуют тому, чтобы культуры были заготовлены правильно, выбор консерванта имеет решающее значение.

Одним из ключей к созданию стабильного силоса является обеспечение активного молочнокислого брожения. Поэтому уровень рН силоса и содержание молочной кислоты - это одни из важнейших критериев для оценки эффективности консерванта.

В 2020 году в ряде предприятий (под условными номерами 1-5) Кировской области провели изучение качества кормов, заготовленных с силосными консервантами производства компании «БИОТРОФ». Для этого отобрали пробы зеленой массы перед заготовкой, а также силоса на 7-е, 30-е, 60-е сутки ферментации. Как видно из рисунка 1, влажность растительной массы из хозяйств №2-5 не соответствовала рекомендациям, что с высокой долей вероятности могло привести к повышению рН силоса и вторичной ферментации.

Рис. 1. Влажность растительной массы, предназначенной для заготовки

Судя по эффективному подкислению корма (рис. 2) на протяжении процесса ферментации, применение заквасок производства НПК «БИОТРОФ» оказалось эффективным при консервировании всего сырья, даже заготовленного с влажностью 82% (хозяйство №3). От скорости подкисления растительной массы напрямую зависит качество готового корма.

Рис. 2. Уровень рН в силосе в процессе ферментации на 7, 30 и 60 сутки

Показателем эффективного протекания процесса брожения в силосе, законсервированного с заквасками, явилось и высокое содержание молочной кислоты (рис. 3). Считается, что в процессе хранения кормов индикатором эффективного консервирования зеленой массы является содержание молочной кислоты в сумме кислот более 70%. 

Рис. 3. Содержание молочной кислоты в силосе в процессе ферментации на 7, 30 и 60 сутки

Таким образом, повышенная влажность растительного сырья переводит все культуры, даже имеющие оптимальное сахаро-буферное отношение, в разряд трудносилосуемых. Тем не менее, применение заквасок производства НПК «БИОТРОФ» способствует эффективному процессу ферментации растительного сырья с критической влажностью, сохраняя при этом высокое качество кормов.

«Правильный» лактат

Как стало очевидно из предыдущего раздела, бактерии, входящие в состав заквасок производства «БИОТРОФ», в кратчайшие сроки подкисляют заготавливаемую массу. Ключевой процесс трансформации сахаров до лактата в силосе - это молочнокислое брожение, катализируемое ферментами лактатдегидрогеназами двух видов: L и D. В результате деятельности этих ферментов в силосе образуются 2 оптических изомера  молочной кислоты: L(+)-лактат и D(−)-лактат.

Давно установлено, что эти изомеры оказывают совершенно разные эффекты на жвачных животных. L-лактат полезен для животных. Он быстро расщепляется в печени до пирувата, который используется для синтеза глюкозы, а, значит, энергии. Кроме того, L-лактат является важным поставщиком электронов для восстановления нитратов до аммиака в рубце.

Известно, что D-лактат, в отличие от L-лактата,  в больших количествах токсичен для животных. Он плохо утилизируется рубцовой микробиотой, снижая pH рубца и подавляя развитие полезных целлюлозолитиков и бактерий, продуцирующих летучие жирные кислоты, что провоцирует лактатный ацидоз. Другим важным отличием между изомерами молочной кислоты является их способность к выведению почками, гораздо более низкая для D-лактата.

Спонтанные эпифитные молочнокислые бактерии, присутствующие на растениях, известны своей способностью синтезировать не только L-лактат, но и D-лактат, что может внести вклад в развитие ацидоза животных. Поэтому штаммы бактерий в составе заквасок должны быть отселектированы по своей способности производить молочную кислоту преимущественно в L-форме.

Примером закваски, производящей L-изомер лактата, является биопрепарат Биотроф2+ (на основе Lactobacillus plantarum и Enterococcus faecium). Мы провели анализ экспрессии генов синтеза ферментов L-лактатдегидрогеназы и D-лактатдегидрогеназы микробным сообществом силоса, который был заложен с закваской Биотроф2+ и без добавок. Экспрессия (работа) генов — это процесс, в ходе которого наследственная информация от гена преобразуется в функциональный продукт — РНК, а затем белок (например, фермент лактатдегидрогеназу). Таким образом, анализ экспрессии генов при помощи наблюдения за РНК методом количественной ПЦР позволяет обнаружить, какие гены силосных бактерий активируются в ответ на выбранный прием консервирования, что может приводить к запуску синтеза соответствующего белка.

На рисунке 4 показан относительный уровень экспрессии генов синтеза L-лактатдегидрогеназы, связанных с продукцией L-лактата, в силосе с закваской Биотроф2+ по сравнению с контролем. Из графиков видно, что внесение закваски резко усиливало синтез силосными молочнокислыми бактериями L-лактата (до 851 раза!). А вот уровень синтез D-лактата не отличался от контрольного варианта. 

Рис. 4. Увеличение экспрессии генов L-лактата в силосе

Закваска Биотроф-111 на основе штамма бактерии Bacillus subtilis 111 также обладает способностью стимулировать молочнокислое брожение и подавлять нежелательную микробиоту уже в первые часы после внесения в силосную массу. Для подробного описания всех свойств штамма бактерии B. subtilis 111 был применен инновационный метод полногеномного секвенирования, который позволил продемонстрировать функцию каждого гена в составе генома и описать все механизмы действия. Результаты, полученные на молекулярном уровне, подтвердили, что штамм бактерии B. subtilis 111 обладает уникальным свойством синтеза ферментов L-лактатдегидрогеназ, приводящих к образованию L-молочной кислоты. Такой путь метаболизма  (рис. 5) встречается у бактерий Bacillus крайне редко и свойственен только специально отселектированным штаммам. 

Рис. 5. Схема продуцирования L- лактата B. subtilis 111

Выживут только сильнейшие 

Силос - это среда с почти экстремальным уровнем кислотности и высоким осмотическим давлением, выживать и размножаться в которой могут только высококонкурентные штаммы. Поэтому эффективная селекция микроорганизмов для создания заквасок подразумевает получение штамма бактерий, который не только будет превосходить другие штаммы по таким целевым признакам, как скорость подкисления и антагонистическая активность, но и по способности эффективно конкурировать с эпифитными обитателями по приспособленности к среде обитания. 

Мы провели проверку выживаемости штамма бактерии B. subtilis 111 закваски Биотроф-111 в силосе из злаково-бобовых трав с применением метода количественной ПЦР. Установлено, что уже через сутки ферментации содержание B. subtilis в 1 грамме силоса в варианте с применением закваски возросло более, чем на миллион клеток по сравнению с вариантом без добавок (рис. 6).

Рис. 6. Содержание штамма бактерии B. subtilis  в силосе через 24 ч после закладки

При проведении полногеномного секвенирования штамма бактерии B. subtilis 111 в составе закваски Биотроф-111 был подробно описан механизм выживаемости бактерии в силосе. Показано, что значительная часть генома приходится на долю генов, связанных с повышенной устойчивостью к неблагоприятных факторам внешней среды. Расшифровка генома с использованием базы данных RAST предсказала активацию 106 генов отвечающих за адаптацию к неблагоприятным внешним воздействиям, включающим повышенное осмотическое давление, окислительный и токсический стресс, холодовой шок, снижение питательных веществ в силосе. Например, присутствие в геноме B. subtilis 111 группы генов семейства cspA, которые активируются в ответ на понижение температуры, позволяет клеткам адаптироваться к низким температурам и выживать при подмораживании силосной траншеи в течение зимнего сезона, что очень важно для большинства регионов на территории нашей страны. Одним из путей адаптации у штамма B. subtilis 111 к повышенному осмотическому давлению в силосе является механизм синтеза глицин бетаин-связывающего белка (OpuAc), являющегося очень эффективным осмопротектором (рис. 7).

Рис. 7. Структура глицин бетаин-связывающего белка (OpuAc) у B. subtilis 111

В то же время, попытки создания заквасок на основе высушенных лактобактерий игнорируют факт, что при высушивании биомассы микроорганизмов, которые не образуют эндоспор, происходит гибель чувствительных к температуре бактерий. Штаммы, входящие в состав таких препаратов, медленно восстанавливают свою жизнеспособность в силосе, а активность генов синтеза молочной кислоты не могут реанимировать и вовсе (рис. 8). Это позволяет конкурентной микробиоте быстро вытеснить такие закваски из силоса, несмотря на высокие вносимые титры. Тем не менее, другого выхода у производителей таких заквасок нет, поскольку транспортировка из-за рубежа – процесс не быстрый.

Рис. 8. Титр и способность к синтезу молочной кислоты и высушенных заквасок на основе лактобактерий

А вот бактерии рода Bacillus, напротив, эффективно переносят высушивание за счет способности к синтезу эндоспор. Например, биоконсервант Промилк, представляющий собой размноженную и лиофильно высушенную чистую культуру бактерий рода Bacillus,  обеспечивает быстрое консервирование растительной массы.

Без потерь до финала 

Одной из серьезных проблем, возникающих на финальном этапе кормозаготовки, является риск аэробного поражения корма после открытия хранилища. Поэтому важным показателем заготовленного корма является аэробная стабильность (АС), то есть сохранность питательных веществ и безопасность при контакте с кислородом. Кислород, поступающий в силос при открытии траншеи, позволяет аэробным микроорганизмам, прежде всего дрожжам, использовать оптимальные для них биохимические пути. Их развитие приводит к стремительному распаду питательных веществ корма и разогреванию субстрата. Потери питательных веществ могут достигать 30-50 г/кг сухого вещества в день.  Это связано с тем, что при контакте с кислородом спиртовое брожение сводится к минимуму и почти весь сахар тратится на синтез биомассы дрожжей, выделяющей значительное количество тепла. АС определяется временем, в течение которого корм сохраняет постоянное качество и не разогревается при доступе воздуха.

В ФНЦ «ВИК им. В.Р. Вильямса» д.с.-х.н. Ю.А. Победновым были проведены многочисленные эксперименты по анализу эффективности силосных заквасок. На рисунках 9 и 10 отражены результаты одного из сравнительных исследований, касающихся оценки аэробной стабильности силоса из клевера. Силос консервировали без добавок, а также с применением закваски Биотроф2+ и зарубежного препарата на основе Pediococcus pentosaceus, L. buchneri, L. plantarum, Propionibacterium acidipropionici и ферментов. Анализ биохимических и микробиологических показателей проводили после 7-ми суточного контакта силоса с кислородом.

Использование закваски Биотроф2+ позволило увеличить продолжительность АС корма, о чем свидетельствует анализ как биохимических показателей силоса через 7 суток аэробного контакта (рис. 9), так и анализ содержания дрожжей и плесневых грибов (рис. 10).

Рис. 9. Биохимические показатели силоса через 7 суток аэробного контакта

Применение закваски Биотроф2+ сдерживало развитие дрожжей, таких, как Hanseniaspora uvarum и Cryptococcus gatti и других, что тормозило процесс распада белка до аммиака. Важно, что дрожжи C. gattii  обладают свойствами патогенности для животных и человека, которые обусловлены способностью образовывать гигантские «титановые клетки», слишком большие для поглощения фагоцитами, а также формировать защитные толстые полисахаридные капсулы. При применении закваски наблюдалось и сдерживание развития микромицетов рода Fusarium, активных продуцентов трихотеценовых микотоксинов. Это связано с тем, что бактерии, входящие в состав биопрепарата Биотроф2+, были отселектированы по их способности подавлять дрожжи и плесневые грибы.

При использовании зарубежного препарата были получены плохие результаты: силос начал разогреваться уже через 128 часов его хранения на воздухе, повышалось содержание токсинопродуцирующих грибков рода Aspergillus. Интересно, что при использовании данного препарата, несмотря на заявленное производителем присутствие в составе пропионовокислых бактерий, в корме не накапливалось даже следов пропионовой кислоты.

Рис. 10. Содержание дрожжей и плесневых грибов в силосе через 7 суток аэробного контакта, * р≤0,05 по сравнению с контролем

Таким образом, уровень качества того силоса, который будет заготовлен сейчас, повлияет на продуктивность и здоровье коров на протяжение всего года. Мы не всегда может держать под контролем все потери при заготовке силоса, тем не менее располагаем эффективными способами противодействия многим из них. Повышенная влажность растительного сырья переводит все культуры, даже имеющие оптимальное сахаро-буферное отношение, в разряд трудносилосуемых. Применение заквасок производства НПК «БИОТРОФ» способствует эффективному процессу ферментации растительного сырья с критической влажностью, сохраняя при этом высокое качество и уровень безопасности кормов. Результаты независимых исследований в ФНЦ «ВИК им. В.Р. Вильямса» также подтвердили, что использование заквасок позволяет решить многие проблемы кормопроизводства, в том числе, продлить аэробную стабильность. Механизм действия заквасок основан на присутствии в геноме уникальных генов, отвечающих за активный и незамедлительный синтез молочной кислоты, подавляющей развитие нежелательной микробиоты. Поэтому позитивный эффект от заквасок производства «БИОТРОФ» связан также и с высоким уровнем конкурентоспособности штаммов в силосе, быстрой скоростью роста и приспособленностью к условиям обитания по сравнению с другими родственными микроорганизмами.