КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

---

Номер 22-16-00070

НазваниеРазработка новых подходов к повышению продуктивности сельскохозяйственной птицы с использованием биокоординационных соединений и микробиальных препаратов различной природы

РуководительАйсувакова Ольга Павловна, Кандидат химических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Федеральный научный центр биологических систем и агротехнологий Российской академии наук", Оренбургская обл

Период выполнения при поддержке РНФ

2022 г. - 2024 г.

Конкурс№68 - Конкурс 2022 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами».

Область знания, основной код классификатора 06 - Сельскохозяйственные науки, 06-204 - Животноводство

Ключевые словаптицеводство, куры-несушки, бройлеры, продуктивность, микроэлементы, speciation-анализ, биокоординационные комплексы, микробиальные препараты, иммунитет, антиоксидантная система, микробиом кишечника, снижения аммиачного прессинга

Код ГРНТИ68.39.37

---

 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

---

Аннотация
Актуальность проекта определяется необходимостью создания технологического и научного задела в области металломики с целью дальнейшего развития отдельных направлений зоотехнии, в том числе в разработке индикаторов прижизненной оценки продуктивности, технологий повышения качества птицеводческой продукции и производства продуктов питания свободных от содержания тяжелых химических элементов с использованием рационов с альтернативными источниками жира и протеина. Развитие методов аналитической химии привело к пониманию того, что общая концентрация химических элементов не может предоставить полную информацию об их биодоступности и возможном токсическом воздействии на экологические системы и живые организмы. Только знание химической формы элемента может предоставить информацию о возможных химических и биохимических процессах и, таким образом, привести к большему пониманию токсичности или эссенциальности элемента. По этой причине определение химической формы элементов имеет большое прикладное значение (Michalke B, 2003; Marcinkowska M and Barałkiewicz D, 2016). Важность знаний по металломике для развития сельского хозяйства и масштабность прикладных задач, которые могут быть решены данным научным направлением, подтверждаются ранее проведёнными исследованиями (Zheng X et al., 2021; Miroshnikov SA et al., 2021; Kazakova TV et al., 2021a; Kazakova TV et al., 2021b; Лебедев С.В. и др., 2021). Таким образом, применение speciation-анализа свидетельствует о его высоком потенциале применения в лабораторной диагностике нарушений обмена элементов в организме и позволит прогнозировать и проводить коррекцию обмена элементов на ранних этапах для увеличения продуктивности. Важно отметить тот факт, что полностью отсутствуют исследования в области видообразования микроэлементов в организме сельскохозяйственной птицы. Важность проекта также связана c тем, что в настоящее время вырос интерес к комплексным препаратам, полученным путем синтеза микроэлементов с аминокислотами и другими веществами, образующими биокоординационные соединения. Их функциональная особенность обусловлена способностью образовывать хелатные структуры и участвовать в метаболических реакциях (Baxter MFA et al., 2020; Sałek P et al., 2020; Pereira CG et al., 2020). В условиях, когда количество искусственно полученных хелат-комплексных соединений постоянно растет, становится актуальным целенаправленный отбор их для нужд сельского хозяйства, в частности для птицеводства. При этом многие эссенциальные элементы (например, Mn, Fe, Cu, Zn) имеют низкий процент усвоения у большинства сельскохозяйственных птиц (Sohail M., 2012; Suttle NF., 2010; Lönnerdal B., 2000). Последние исследования были сосредоточены на важности использования пробиотиков, как функциональных продуктов питания для влияния на микрофлору и всасываемость кишечника, иммунитет и производительность (Mengistu BM et al., 2021; Bami MK et al., 2020; Babaei MJ et al., 2021). Также в настоящее время имеется большой объем опубликованных данных об усвояемости аминокислот кормовых ингредиентов и ферментных добавок для сельскохозяйственной птицы (Nahm K.H., 2007). Данный аспект связан с тем, что загрязнение окружающей среды азотом является одной из серьезных экологических проблем непосредственно связанных с сельским хозяйством (Abbasi IHR et al., 2018). Разведение сельскохозяйственной птицы и обращение с ее органическими отходами представляют серьезную проблему, как для здоровья самой птицы и работников предприятия, так и для близлежащих жителей (Nowak A et al., 2017). Основными источниками токсичности являются аммиак и анионные органические соединения птичьего помета (Gupta G et al., 1997). В целом, имеющиеся данные свидетельствуют об актуальности применения альтернативных кормовых добавок, в частности различных комбинаций пробиотиков, органических соединений и микроэлементов для снижения токсичности соединений из птичьего помета (Molaey R et al., 2018; Mi J et al,. 2019). Однако системный подход к эффективности и безопасности таких соединений, используемых в качестве кормовых добавок для сельскохозяйственной птицы, все еще отсутствует. Для улучшения качества кормовых добавок и снижения загрязнения окружающей среды отходами птицеводства необходимо исследовать и корректировать потенциальные дисбалансы в процессе кормления птицы. В связи с этим совместное применение различных биокоординационных комплексов с микробиальными препаратами является актуальным решением ряда зоотехнических проблем, в частности проблемы усвоения микроэлементов, укрепления иммунитета у птиц и снижения аммиачного прессинга. Не менее важна проблема содержания тяжелых химических элементов в животноводческой продукции (Pilarczyk R, 2013; Cygan-Szczegielniak D,2014; Malhat F, 2012). В птицеводстве активно используются соединения различных микроэлементов в качестве добавки для оптимального роста и развития. Коммерческая промышленность, главным образом, направлена на производство рационов с высоким потенциалом продуктивности при снижении себестоимости (Leeson S and Caston L, 2008; Singh AK, et al., 2015). Безопасность пищевых продуктов считается одной из глобальных проблем, главным образом за счет воздействия тяжелых металлов на человека (Khan S et al., 2008). Оценка динамики аккумуляции и перераспределения форм микроэлементов может дать представление о подходящих стратегиях кормления, чтобы с одной стороны сохранить высокую продуктивность сельскохозяйственных птиц, с другой стороны предотвратить избыточное накопления элементов в пищевых продуктах, тем самым снизив потенциальный риск для здоровья потребителей. Таким образом, дальнейшее развитие зоотехнии, как науки будет тесно связано с детализацией знаний о металломике поступления, метаболизма и выведения химических элементов из организма сельскохозяйственных животных, что закономерно формирует интерес на реализацию представляемого проекта. В связи с вышеперечисленным основной целью проекта явилось изучение влияния различных биокоординационных комплексов микроэлементов в совокупности с микробиальными препаратами на производительность, качество мяса, иммунный и антиоксидантный статус выращиваемых кур-несушек и бройлеров с последующей разработкой технологии повышения качества птицеводческой продукции, основанной на детализации знаний о формах микроэлементов их перераспределения и усиления ретенции нутриентного блока рационов. Новизна исследований состоит в получении знаний о металломике; проведении speciation-анализа отдельных соединений микроэлементов с высоко- и низкомолекулярными биологическими лигандами крови птиц в зависимости от элементного статуса. Будут впервые изучены особенности видообразования микроэлементов кур-несушек и бройлеров. Полученные данные создадут базу для пересмотра существующих норм и форм потребления микроэлементов птицей. Будет впервые установлена взаимосвязь между продуктивностью сельскохозяйственной птицы, иммунным и антиоксидантныс статусом, металломикой ряда микроэлементов и таксономическим разнообразием микробиома кишечника, что позволит выявить потенциальное взаимное влияние обмена микроэлементов на ряд морфофункциональных показателей. Литература 1. Лебедев С.В., Завьялов О.А., Нотова С.В., Маршинская О.В., Казакова Т.В., Тарасова Е.И., Рогачев Б.Г., Рахматуллин Ш.Г. Способ ранней оценки молочной продуктивности коров. Патент на изобретение RU 2 755 816 C1. Подача: 24.12.2020. Публикация: 21.09.2021. 2. Abbasi IHR, Abbasi F, El-Hack MEA, Abdel-Latif MA, Soomro RN, Hayat K, Mohamed MAE, Bodinga BM, Yao Y, Cao Y. Critical analysis of excessive utilization of crude protein in ruminants ration: impact on environmental ecosystem and opportunities of supplementation of limiting amino acids-a review // Environ Sci Pollut Res Int. 2018;25(1):181-190. https://doi.org/10.1007/s11356-017-0555-4 3. Babaei MJ, Fakhraei J, Yarahmadi HM, Gomarian M. Effect of different levels of bioplex manganese along with probiotics and multi-enzymes on performance and immune system indices of broilers // Vet Med Sci. 2021;7(4):1379-1390. https://doi.org/10.1002/vms3.479 4. Bami MK, Afsharmanesh M, Ebrahimnejad H. Effect of Dietary Bacillus coagulans and Different Forms of Zinc on Performance, Intestinal Microbiota, Carcass and Meat Quality of Broiler Chickens // Probiotics Antimicrob Proteins. 2020;12(2):461-472. https://doi.org/10.1007/s12602-019-09558-1 5. Baxter MFA, Greene ES, Kidd MT, Tellez-Isaias G, Orlowski S, Dridi S. Water amino acid-chelated trace mineral supplementation decreases circulating and intestinal HSP70 and proinflammatory cytokine gene expression in heat-stressed broiler chickens // J Anim Sci. 2020;98(3):skaa049. https://doi.org/10.1093/jas/skaa049 6. Cygan-Szczegielniak D, Stanek M, Giernatowska E, Janicki B. Impact of breeding region and season on the content of some trace elements and heavy metals in the hair of cows // Folia Biol (Krakow). 2014;62(3):163-169. 7. Gupta G, Borowiec J, Okoh J. Toxicity identification of poultry litter aqueous leachate // Poult Sci. 1997;76(10):1364-1367. https://doi.org/10.1093/ps/76.10.1364 8. Kazakova T, Marshinskaia O, Notova S. Milk productivity and zinc species analysis in cattle depending on the level of lead accumulation // Journal of Animal Science. 2021a;99(3):272-273. https://doi.org/10.1093/jas/skab235.499 9. Kazakova ТV, Marshinskaia ОV, Notova SV. Milk productivity of cows and the content of the metal-ligand forms of iron // IOP Conf. Series: Earth and Environmental Science. 2021b;848:012026. https://doi.org/10.1088/1755-1315/848/1/012026 10. Khan S, Cao Q, Zheng YM, Huang YZ, Zhu YG. Health risks of heavy metals in contaminated soils and food crops irrigated with wastewater in Beijing, China // Environ. Pollut. 2008;152:686-692. https://doi.org/10.1016/j.envpol.2007.06.056 11. Leeson S., Caston L. Using minimal supplements of trace minerals as a method of reducing trace mineral content of poultry manure // Animal Feed Science and Technology. 2008;142:339-347. https://doi.org/10.1016/j.anifeedsci.2007.08.004 12. Lönnerdal B. Dietary factors influencing zinc absorption // J Nutr. 2000;130(5S Suppl):1378S-83S. https://doi.org/10.1093/jn/130.5.1378S 13. Malhat F, Hagag M, Saber A, Fayz AE. Contamination of cows milk by heavy metal in Egypt // Bulletin of Environmental Contamination and Toxicology. 2012;88(4):611-613. https://doi.org/10.1007/s00128-012-0550-x 14. Marcinkowska M, Barałkiewicz D. Multielemental speciation analysis by advanced hyphenated technique – HPLC/ICP-MS: A review // Talanta. 2016;161:177-204. https://doi.org/10.1016/j.talanta.2016.08.034 15. Mengistu Bm, Bitsue HK, Huang K. The Effects of Selenium-Enriched Probiotics on Growth Performance, Oocysts Shedding, Intestinal Cecal Lesion Scores, Antioxidant Capacity, and mRNA Gene Expression in Chickens Infected with Eimeria tenella // Biol Trace Elem Res. 2021;199(1):278-291. https://doi.org/10.1007/s12011-020-02118-7 16. Mi J, Chen X, Liao X. Screening of single or combined administration of 9 probiotics to reduce ammonia emissions from laying hens // Poult Sci. 2019;98(9):3977-3988. https://doi.org/10.3382/ps/pez138 17. Michalke B. Element speciation definitions, analytical methodology, and some examples // Ecotoxicology and Environmental Safety. 2003;56(1):122-139. https://doi.org/10.1016/S0147-6513(03)00056-3 187. Miroshnikov SA, Notova SV, Skalnaya MG, Sizova EA, Marshinskaia OV, Kazakova TV, Skalny AV, Michalke B, Ajsuvakova OP, Tinkov AA. Speciation of Serum Copper and Zinc-Binding High- and Low-Molecular Mass Ligands in Dairy Cows Using HPLC-ICP-MS Technique // Biological Trace Element Research. 2021. https://doi.org/10.1007/s12011-021-02666-6 19. Molaey R, Bayrakdar A, Çalli B. Long-term influence of trace element deficiency on anaerobic mono-digestion of chicken manure // J Environ Manage. 2018;223:743-748. https://doi.org/10.1016/j.jenvman.2018.06.090 20. Nahm K.H. Feed formulations to reduce N excretion and ammonia emission from poultry manure // Bioresource Technology. 2007;98(12):2282-2300. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2006.07.039 21. Nowak A, Bakuła T, Matusiak K, Gałęcki R, Borowski S, Gutarowska B. Odorous Compounds from Poultry Manure Induce DNA Damage, Nuclear Changes, and Decrease Cell Membrane Integrity in Chicken Liver Hepatocellular Carcinoma Cells // Int J Environ Res Public Health. 2017;14(8):933. https://doi.org/10.3390/ijerph14080933 22. Pereira CG, Rabello CBV, Barros MR, Manso HEC, Santos MJBD, Faria AG, de Oliveira HB, Medeiros-Ventura WRL, Júnior RVS, Carvalho CCD, Fireman AK. Zinc, manganese and copper amino acid complexed in laying hens' diets affect performance, blood parameters and reproductive organs development // PLoS One. 2020;15(11):e0239229. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0239229 23. Pilarczyk R, Wójcik J, Czerniak P, Sablik P, Pilarczyk B, Tomza-Marciniak A. Concentrations of toxic heavy metals and trace elements in raw milk of Simmental and Holstein-Friesian cows from organic farm // Environ Monit Assess. 2013;185(10):8383-8392. https://doi.org/10.1007/s10661-013-3180-9 24. Sałek P, Przybylski W, Jaworska D, Adamczak L, Zielińska D, Głuchowski A. The effects on the quality of poultry meat of supplementing feed with zinc-methionine complex // Acta Sci Pol Technol Aliment. 2020;19(1):73-82. https://doi.org/10.17306/J.AFS.0756 25. Singh AK, Ghosh TK, Haldar S. Effects of methionine chelate- or yeast proteinate-based supplement of copper, iron, manganese and zinc on broiler growth performance, their distribution in the tibia and excretion into the environment // Biol Trace Elem Res. 2015;164(2):253-260. https://doi.org/10.1007/s12011-014-0222-2 26. Sohail M, Hume M, Byrd J, Nisbet D, Ijaz A, Sohail A, Shabbir M, Rehman H. Effect of supplementation of prebiotic mannan-oligosaccharides and probiotic mixture on growth performance of broilers subjected to chronic heat stress // Poult. Sci. 2012;19:2235-2240. https://doi.org/10.3382/ps.2012-02182 27. Suttle NF. Mineral nutrition of livestock. Oxforshire: CABI; 2010. p. 587. 28. Zheng X, Wu K, Sun P, Zhouyang S, Wang Y, Wang H, Zheng Y, Li Q. Effects of substrate types on the transformation of heavy metal speciation and bioavailability in an anaerobic digestion system // J Environ Sci (China). 2021;101:361-372. https://doi.org/10.1016/j.jes.2020.08.032

Ожидаемые результаты
1) В ходе реализации проекта будет впервые дана подробная характеристика обмена микроэлементов у кур-несушек и бройлеров. Более того, будут впервые изучены особенности видообразования ряда микроэлементов в зависимости от продуктивности птицы. Полученные данные создадут базу для пересмотра существующих норм и форм потребления микроэлементов птицей, а также помогут выявить метаболические предикторы высокой яичной продуктивности и качества мясной продукции. Будет впервые установлена взаимосвязь между продуктивностью, иммунным и антиоксидантным статусом, металломикой ряда микроэлементов и таксономическим разнообразием микробиома кишечника, что позволит выявить потенциальное взаимное влияние обмена микроэлементов на ряд морфофункциональных показателей сельскохозяйственных птиц. 2) С использованием данных о характерных метаболических паттернах, в том числе особенностях металломики элементов и микробиома кишечника, будут разработаны прототипы средств (сочетанное использование биокоординационых комплексов и микробиальных препаратов) для метаболической коррекции обмена микроэлементов и других микронутриентов в организме животных с целью улучшения состояния здоровья сельскохозяйственной птицы, повышения яичной продуктивности и качества мясных продуктов. Будут разработаны перспективные модели мониторинга иммунного состояния птиц и снижения токсичного прессинга отрасли птицеводства на окружающую среду. 3) Комплексный подход к оценке обмена микроэлементов в организме будет также совмещен с изучением показателей качества мясных продуктов и яиц на основе определения содержания микроэлементов, а также аминокислотного и жирнокислотного состава. На основании полученных данных с применением методов математического моделирования будут выявлены наиболее характерные метаболические паттерны, связанные с высокой яичной продуктивностью и качеством мясной продукции. Будут разработаны критерии безопасности производства кормов с использованием микроэлементов в качестве премикса, основанные на детализации знаний о формах микроэлементов. Таким образом, реализация проекта предполагает получение принципиально новых данных, не имеющих на настоящий момент аналогов. Данное преимущество достигается, с одной стороны, непосредственно изучением обмена микроэлементов посредством speciation-анализа у птиц, тогда как с другой, сочетанием данного инструмента с другими современными методами анализа (метагеномика). Предлагаемый проект позволит с одной стороны устранить пробелы в фундаментальной науке, тогда как с другой, создаст научную базу для решения практических вопросов птицеводства путем пересмотра норм и форм потребления микроэлементов.

---

 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

---