Применение фитобиотиков в кормлении рыб в качестве альтернативы антибактериальными пробиотическим препаратам (обзор)
Переход к высокопродуктивному и экологически чистому агро- и аквахозяйству — одно из приоритетных стратегически важных направлений развития отрасли животноводства и рыбоводства. Следует отметить, что данные отрасли являются рискованными, так как различные инфекционные патологии могут не только привести к снижению качества конечного продукта, но и нанести существенный экономический ущерб. На протяжении последних десятилетий в качестве основного компонента кормовых добавок, профилактирующих возникновение и развитие бактериальных инфекций, являлись антибактериальные препараты. Однако их чрезмерное использование привело к повышению концентрации в системах культивирования и ослаблению естественного иммунитета водных организмов. Многочисленные исследования, направленные на оценку эффективности применения антибактериальных препаратов, свидетельствуют о негативном воздействии на структурный микробиом кишечника, проявляющемся в снижении уровня разнообразия таксономических групп нормофлоры, что в конечном итоге приводит к существенным различиям в приросте веса, коэффициенте конверсии корма, удельной скорости роста и нормативному превышению антибактериальных химиотерапевтических препаратов в водных экосистемах. Одним из наиболее перспективных методов кормления рыб с учетом безопасности для окружающей среды и сохранения здоровья является использование пробиотиков, пребиотиков, синбиотиков и фитобиотиков в качестве профилактических препаратов для защиты от инфекционных заболеваний.
Производство здоровой пищи из животных с микробиологической точки зрения предполагает учет пищевых патогенов, с одной стороны, и методов борьбы с бактериальными инфекциями при разведении — с другой. Использование пробиотиков представляется наиболее подходящей альтернативой антибактериальным препаратам для решения этих проблем из-за их способности модулировать иммунную систему и кишечную микрофлору. Следует также отметить высокий уровень антагонистической активности отдельных пробиотических штаммов в отношении ряда патогенных микроорганизмов, что в свою очередь позволяет их использовать в качестве фактора роста (иногда ассоциированного с пребиотиками) при их использовании в качестве кормовых добавок.
Преимуществом пробиотиков является их способность переносить агрессивные условия желудочно-кишечного тракта, такие как желудочная кислота, pH и соли желчи, способность оказывать благотворное влияние на организм хозяина. Следует отметить, что пробиотики могут оказывать благотворное влияние на продуктивность, здоровье и самочувствие по различным параметрам продуктивности животных. Они стимулируют нативную микробиоту (микроорганизмы, которые присутствуют в месте их происхождения) и выработку короткоцепочечных жирных кислот с доказанными эффектами, такими как противомикробный, гипохолестеринемический и иммуномодулирующий, приводящими к улучшению здоровья кишечника, способности всасывания питательных веществ и продуктивной реакции у животных. Согласно литературным данным, в последние годы в качестве потенциальных пробиотиков в рыбоводстве широко используются различные бактериальные штаммы, однако наиболее перспективными являются Lactobacillus spp. и Bacillus spp. из-за их высокой антагонистической активности и продукции внеклеточных ферментов.
Существенным минусом использования специфических (нормофлора) пробиотиков в аквакультуре является то, что приносящая пользу одним видам бактерия может являться патогеном для других и процесс скрининга играет важную роль в определении видовой специфичности пробиотиков.
Одним из наиболее перспективных научных изысканий в области кормления рыб с использованием природных ингибиторов роста патогенных микроорганизмов является применение в качестве кормовых добавок лекарственных растений для улучшения иммунологических или пищевых факторов в аквакультуре. Травяные продукты имеют ряд преимуществ, включая экологичность, низкий уровень побочных эффектов, легкий доступ и экономичность. Действительно, это многофункциональные добавки, оказывающие благотворное влияние на физиологическую активность многих видов рыб. Способствуют увеличению скорости роста, антиоксидантного статуса, триггера иммунной системы, снижению восприимчивости к стрессу окружающей среды и инфекционным агентам.
Для выращивания рыбы в интенсивных системах требуются высококачественные и функциональные корма. В этом случае кормовые добавки рекомендуются при составления рецептур высококачественных кормов для улучшения продуктивности и благополучия водных организмов. В долгосрочной перспективе вещества природного происхождения рекомендуются для замены химиотерапии и антибиотиков в аквакультуре. В этом контексте предлагаются различные активные вещества для успешной индустрии аквакультуры. Лекарственные травы и их экстракты являются наиболее часто используемыми и проверенными кормовыми добавками в продуктах питания человека и в животноводстве. Растительные вещества содержат различные функциональные компоненты, которые эффективно влияют на самочувствие и сопротивляемость инфекциям водных животных.
Была поставлена цель провести системный анализ литературных данных о перспективности использования фитобиотиков в качестве стимуляторов роста и альтернативы антибактериальным и пробиотическим препаратам в кормлении рыб.
Материал и методы исследования
Поиск и анализ литературы проводился с использованием интернет-ресурсов: РИНЦ – https://www.elibrary.ru, ScienceDirect – https://www.sciencedirect.com, https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov.
Результаты и обсуждение
Современное представление фитотерапии сводится к использованию растений для профилактики или лечения заболеваний различной этиологии у человека и животных. На рубеже ХХ века данное направление терапии конкурировало с современной медициной, особенно с антибиотиками. Так, например, эфирные масла и обогащенные полифенолами экстракты довольно часто используются в аквакультуре для повышения промышленной и экологической устойчивости. Известно, что некоторые эфирные масла, извлеченные из ароматических растений, обладают выраженной биологической активностью, вследствие чего проявляют выраженное антибактериальное и антиоксидантное действие. Их использование в лечебных кормах может существенно сократить использование противомикробных препаратов и загрязнение окружающей среды, а также повысить общее состояние животных и безопасность пищевых продуктов.
В современной научной литературе представлен значительный объем экспериментальных данных по исследованию эффективности применения фитобиотических препаратов в кормлении рыб в качестве стимуляторов роста, повышения антиоксидантной и иммуностимулирующей активности, а также в качестве препаратов для ликвидации инфекционных заболеваний с целью профилактики и ликвидации инфекционных заболеваний, их использовании в качестве активаторов роста, а также компонентов корма, повышающих пищевую ценность готовой продукции. Наряду с этим в публикациях представлены данные об использовании пищевых отходов (продуктов переработки растениеводства) в аквакультуре для повышения иммунологической и антиоксидантной защиты.
В качестве источника фитобиотического компонента корма может использоваться различное растительное сырье — от отдельных частей растения и эфирных масел до измельченных до наноразмеров порошкообразных форм. Основная задача сводится к использованию наиболее эффективных форм фитобиотиков в качестве кормовых добавок к основным рационам кормления для увеличения продуктивности — повышения скорости и интенсивности роста, активации пищеварительных ферментов, повышения уровня антиоксидантной и иммуностимулирующей активности и повышения устойчивости к патогенным микроорганизмам.
Рассмотрим лишь некоторые литературные данные эффективности применения различных фитобиотиков в кормлении рыб.
Анис (Pimpinella anisum L.). Проведенные экспериментальные исследования на модели европейского морского окуня (Dicentrarchus labrax) свидетельствуют о достоверно значимом увеличении живой массы рыбы и содержания сырого протеина при добавлении аниса к основному рациону в концентрации 2,5 г/кг и 3,5 к/кг корма (p < 0,05). Антибактериальная активность кишечника выявила значительное снижение количества представителей Vibrio spp. по отношению к интактной группе (p < 0,05). На фоне применения 1,5 г/кг аниса регистрировали максимальное повышение показателей неспецифического иммунитета (лизоцимная и фагоцитарная активность) (p < 0,05) [35].
Травосмесь — на основе мальвы обыкновенной (Malvae sylvestris), душицы (Origanum vulgare) и персидского лука-шалота (Allium hirtifolium boiss). Исследования, проводимые на модели обыкновенного карпа (Cyprinus carpio), свидетельствуют о положительной динамике увеличения живой массы при введении в рацион 2%-ной и 3%-ной травосмеси от общего рациона. Данные концентрации способствовали увеличению содержания белка, повышали активность пищеварительных ферментов — амилазы, липазы, протеазы, иммунитета слизистой оболочки и кишечника, включая общий иммуноглобулин (общий Ig), лизоцим, альтернативную активность комплемента [36]. Основной задачей введения в рацион кормовых антибиотиков является профилактика бактериальных инфекций оказывающих негативное влияние на развитие организма. Введение в кормовую базу фитохимических соединений с выраженным иммумомоделирующим действием способствует активации защитных механизмов неспецифической резистентности организма, обеспечивая высокие показатели устойчивости в отношении патогенных и условно-патогенных штаммов микроорганизмов и как следствие стабильные показатели роста, что функционально соответствует кормовым антибактериальным веществам и позволяет использовать фитобиотические вещества в качестве их альтернативы.
Персидский лук-шалот (Allium stipitatum). Модельный эксперимент на радужной форели (Oncorhynchus mykiss) свидетельствует о значительном повышении конечного веса и удельной скорости роста у рыб, получающих основной рацион с добавлением 1%-ного и 2%-ного фитобиотика. Наряду с этим в данных экспериментальных группах регистрировали снижение коэффициента конверсии корма, увеличение ферментативной (амилаза, липаза, протеаза) и лизоцимной активности, общего иммуноглобулина (Ig) и компонентов комплемента С3 и С4.
Экстракт плодов барбариса (Berberis vulgaris). Проводимые исследования на модели сибирского осетра (Acipenser baerii) свидетельствуют о существенном увеличении лизоцимной активности, компонента комплемента С4 (p < 0,05), активности протеазы и эстеразы в образцах кожной слизи, что, как следствие, повышает антибактериальную особенность организма рыбы в отношении Streptococcus iniae, Yersinia ruckeri, Escherichia coli, Listeria monocytogenes, Aeromonas hydrophila и Lactococcus garvieae на фоне применения экстракта в концентрации 750 мг/кг корма.
Экстракт плодов айвы бельгийской (Aegle marmelos). Исследование эффективности применения данного фитобиотика на модели нильской тиляпии (Oreochromis niloticus) свидетельствует о значительном увеличении среднесуточного прироста и удельной скорости роста на фоне применения данного фитобиотика в концентрациях 15 г/кг и 20 г/кг корма. Наряду с этим в данных группах регистрировали повышение антиоксидантной активности ферментов, показателей неспецифического иммунитета и активности пищеварительных ферментов. В условиях создания экспериментальной инфекции, вызванной Streptococcus agalactiae, была установлена более высокая выживаемость в группе с добавлением 20 г/кг экстракта айвы на 1 кг корма по сравнению с интактной.
Экстракт плодов кизила (Cornus mas L.). На модели обыкновенного карпа (Cyprinus carpio) экспериментально установлено, что введение в рацион 0,5%-ного и 1%-ного экстракта на 1 кг корма существенно увеличивает удельный темп роста, среднесуточные привесы (p < 0,05), общий иммуноглобулин и лизоцимную активность, что позволило значительно повысить уровень устойчивости организма карпа к патогенному воздействию A. hydrophila в условиях тестового заражения.
Порошок листьев портулака (Portulaca oleracea). Исследования, проводимые на нильской тиляпии (Oreochromis niloticus), свидетельствуют о том, что рост рыбы, прибавка в весе и удельная скорость роста значительно снижаются по мере увеличения содержания портулака в рационе рыб (2% и 3% на 1 кг) по сравнению с контрольной группой, однако рыба, которую кормили портулаком, показала самый высокий относительный процент выживаемости в условиях создания экспериментальной инфекции A. hydrophila с максимальными показателями в группе с применением 3% на 1 кг корма (81,25%), тогда как в контрольной группе рыб летальность составила 100%.
Пищевые наночастицы корицы (Cinnamomum verum). Исследования эффективности применения данного фитобиотика, проводимые на модели нильской тиляпии (Oreochromis niloticus), свидетельствуют о значительном увеличении продуктивности рыб в группах с добавлением исследуемой добавки в концентрации 3,0 г/кг, 5,0 г/кг и 10,0 г/кг рациона, наряду с этим в данных группах отмечалось повышение содержания сырого протеина в теле рыбы, антиоксидантной стимулирующей активности, индуцирование секреции протеазы, липазы и амилазы, а также активация показателей неспецифического иммунитета. Авторами исследования установлено, что пищевые наночастицы корицы в концентрации 3,0 г/кг корма предотвращают гибель рыбы от инфекции, вызванной A. hydrophila, в то время как в контрольной группе наблюдалась гибель 66,7% рыб.
Базилик (Ocimum gratissimum). На модели африканского сома (Clarias gariepinus) экспериментально установлено, что использование листьев данного растения в концентрации 12 г/кг корма основного рациона значительно улучшает показатели интенсивности роста и потребление корма, а также оказывает положительную динамику на гематологические, физиологические показатели организма рыб и повышает антиоксидантную активность и показатели неспецифического иммунитета. Экспериментальное заражение Listeria monocytogenes на фоне применения листьев базилика свидетельствует об эффективности данного фитобиотика в качестве антибактериального компонента корма, позволяющего сохранить 86,5% поголовья против 15,0% показателей контрольной группы заражения.
Порошок косточек абрикоса (Prunus armeniaca). Исследования, проводимые на модели обыкновенного карпа (Cyprinus carpio), свидетельствуют о значительном улучшении показателей удельной скорости роста, прироста живой массы и увеличении коэффициента конверсии корма при введении в рацион экспериментальной рыбы 10 г порошка на 1 кг корма. Включение в рацион данного фитобиотика способствует повышению активности пищеварительных ферментов, иммунологических биомаркеров (антипротеазная и лизоцимная активность) и антиоксидантной активности. Экспериментальное инфицирование рыб A. veronii на фоне применения порошка косточек абрикоса свидетельствует о прямой зависимости между дозой вводимого в корм фитобиотика и уровнем сохранности поголовья: 2,5 г — 50%, 5,0 г — 66,67%, 10,0 г — 83,33% соответственно.
Экстракт плодов витекса (Vitex agnus-castus). На модели золотых рыбок (Carassius auratus) установлено наличие выраженной положительной динамики прироста живой массы тела на фоне снижения коэффициента конверсии корма по введению в рацион данного фитобиотика в концентрации 1,5% на 1 кг корма основного рациона (р < 0,05). Также экспериментально установлена активация экспрессии гормонов роста и инсулиноподобного фактора (р < 0,05).
Комбинация экстрактов лекарственных трав: кориандр (Coriandrum sativum), мальва обыкновенная (Malva sylvestris) и дубовый желудь (Quercus brantii). В исследованиях, проводимых на модели обыкновенного карпа (Cyprinus carpio), установлена высокая эффективность применения данного комплекса экстрактов (прирост массы, удельная скорость роста, коэффициент конверсии корма) с максимально значимыми показателями в группе с добавлением 5% на 1 кг основного корма (р < 0,05). Также установлено, что во всех опытных группах на фоне применения 0,5%, 1%, 3% и 5% на 1 кг корма отмечается активация антиоксидантных биомаркеров и иммунных параметров (лизоцим, общий иммуноглобулин). Максимальный уровень сохранности поголовья при экспериментальном инфицировании A. hydrophila составил в группе с применением фитобиотика в концентрации 3% на 1 кг.
Смесь экстрактов тимьяна обыкновенного (Thymus vulgaris), майорана (Origanum majorana) и чабра душистого (Satureja hortensis). На модели обыкновенного карпа (Cyprinus carpio) установлено, что использование в рационе 1% и 2% смеси экстрактов способствует увеличению прироста живой массы, удельной скорости роста, выживаемости по сравнению с показателями интактной группы (р < 0,05). Следует отметить, что максимальные показатели лизоцимной активности и количества общего иммуноглобулина регистрируются при добавлении в рацион 2% смеси (р < 0,05). Однако обобщенный анализ, основанный на кормовой эффективности, показателях роста, иммунологических реакциях и антиоксидантного статуса карпа, позволяет сделать заключение, что оптимальная дозировка используемых экстрактов составляет 1% на 1 кг общего рациона.
Экстракт пандана кровельного (Pandanus tectorius). В исследованиях, проводимых в модельном эксперимента на карпе обыкновенном (Cyprinus carpio), установлено, что введение в рацион 20 г/кг корма экстракта позволяет существенно увеличить показатели конечной прибавки массы тела (р < 0,05), повысить уровень антиоксидантной активности печени. Также установлено, что применение фитобиотика в указанной концентрации демонстрирует самый высокий процент выживаемости (70,37%) на фоне заражения Aeromonas hydrophila.
Наряду с вышеизложенным в современнтй литературе представлены обширные данные использования лекарственных трав (фитобиотиков) как для борьбы, так и снижения негативного эффекта воздействия Aeromonas hydrophila на различных представителей аквакультуры (таблица 1).
Основным критерием отбора фитобиотических компонентов корма (фитобиотик, фитохимическое вещество) в качестве кормовых добавок в рационах рыб обусловлено в первую очередь их высоким биологическим потенциалом. Следует отметить, что выбор фитобиотиков обусловлен не только их активностью и выраженным стимулирующим рост действием, но доступностью растительного сырья для производства готовых кормовых добавок, что в конечном итоге позволяет снижать себестоимость готовой продукции.
Выводы
Анализ литературных данных по использованию различных фитобиотических препаратов свидетельствует о перспективности и научной новизне данного направления в области кормления и аквакультуре в целом. Поиск альтернативной замены высокоэффективным антибактериальным препаратам как природного, так и синтетического происхождения для данной отрасли в настоящее время является весьма актуальной проблемой. Это связано с тем, что антибактериальные препараты способны накапливаться в биологических системах, уровень их эффективности постепенно сводится к минимуму, что обусловлено формированием полирезистентных штаммов микроорганизмов, способных передавать генетическую информацию о механизмах резистентности.
Наряду с антибиотиками широкое распространение в животноводческой отрасли и аквакультуре получили кормовые пробиотики, пребиотики и синбиотики, однако следует отметить, что использование в структуре аквакультуры нормоспецифических (представители микробиома) бактериальных штаммов является относительно проблемным направлением, так как типовые представители одного вида рыб могут выступать в качестве патогена для других, а использование транзиторных штаммов не всегда позволяет получить высокие производственные характеристики.
Представленные научные данные по использованию фитобиотиков свидетельствуют не только о выраженном стимулирующем рост рыб действии, но также и о высоком антиоксидантном и иммуностимулирующем действии. Отдельно стоит отметить высокий уровень эффективности тестируемых растений в отношении патогенных штаммов микроорганизмов A. hydrophila (порошок листьев портулака, экстракт плодов кизила, комбинация эфирных масел тимьяна, красного тимьяна и перца розмарина, пищевые наночастицы корицы, комбинация экстрактов кориандра, мальвы обыкновенной и дубового желудя, экстракт пандана кровельного), A. veronii (порошок косточек абрикоса), L. monocytogenes (экстракт листьев базилика гвоздичного), S. agalactiae (экстракт плодов айвы бельгийской). Гипотетически данный механизм можно объяснить не только активацией показателей неспецифического иммунитета, но и влиянием большинства тестируемых в экспериментах растений анти Quorum Sensing эффектом. Так, например, имеющиеся в литературе данные свидетельствуют о высоких ингибирующих характеристиках лемонграсса в отношении биопленкообразования, что подтверждается экспериментальными исследованиями на модели нильской тиляпии, в ходе которых было установлено, что данный фитобиотик не только повышает показатели продуктивности, но и существенно снижет смертность от A. hydrophila.
Обобщенный анализ полученных данных свидетельствует о необходимости научных изысканий, направленных на поиск новых альтернативных биологически активных соединений на основе растительного сырья, определения способа их подготовки и дозировок с учетом направленности их действия (стимуляторы роста, противомикробные препараты и т. д.) и вида рыб.
Об авторах
Елена Петровна Мирошникова, доктор биологических наук, профессор, заведующая кафедрой биотехнологии животного сырья и аквакультуры, Оренбургский государственный университет, пр-т Победы, 13, к. 20, Оренбург, 460018, Россия
elenaakva@rambler.ru
ORCID:0000-0003-3804-5151
Азамат Ерсаинович Арижанов, кандидат сельскохозяйственных наук, доцент кафедры биотехнологии животного сырья и аквакультуры, Оренбургский государственный университет, пр-т Победы, 13, корп. 20, Оренбург, 460018, Россия
arin.azamat@mail.ru
ORCID:0000-0001-6534-7118
Юлия Владимировна Килякова, кандидат биологических наук, доцент кафедры биотехнологии животного сырья и аквакультуры, Оренбургский государственный университет, пр-т Победы, 13, к. 20, Оренбург, 460018, Россия
fish-ka06@mail.ru
ORCID:0000-0002-2385-264X
Алексей Николаевич Сизенцов,кандидат биологических наук, доцент кафедры биохимии и микробиологии,Оренбургский государственный университет,
пр-т Победы, 13, к. 20, Оренбург, 460018, Россия
kwan111@yandex.ru
ORCID:0000-0003-1099-3117
УДК 636.087.73+639.3 DOI: 10.32634/0869-8155-2023-372-7-40-47
Сельское хозяйство, ветеринария, зоотехния, агрономия, агроинженерия, пищевые технологии
