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 20-16-00078

НазваниеРазработка новых подходов к использованию методов металломики в зоотехнии с целью селективной коррекции элементного статуса сельскохозяйственных животных

РуководительСизова Елена Анатольевна, Доктор биологических 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 2023 г. - 2024 г. 

Конкурс Конкурс на продление сроков выполнения проектов, поддержанных грантами Российского научного фонда по приоритетному направлению деятельности Российского научного фонда «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами» (45).

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

Ключевые словаКормление, продуктивность, пищеварение, микроэлементы, металломика, элементный статус

Код ГРНТИ68.03.05

 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Дисбалансы химических элементов представляют серьёзную угрозу для здоровья и продуктивных качеств сельскохозяйственных животных (Mehdi, Dufrasne, 2016). При этом, модуляция обмена микроэлементов рассматривается в качестве потенциального инструмента для поддержания продуктивного долголетия и повышения молочной продуктивности. Однако, исследования последних пяти лет говорят о вкладе в дисбаланс обмена веществ не только изменений суммарного (валового) содержания конкретного элемента, но и перераспределение его изотопного состава. Стабильные изотопные составы биометаллов могут быть использованы в качестве эффективных маркеров для диагностики различного рода состояний/заболеваний, связанных с нарушением обмена веществ (Yu-Ki Tanaka et all, 2018, doi: 10.2116/analsci.18SBR02). При этом, изменения изотопного состава Cu, Fe и Zn не сопровождаются аналогичными изменениями их соответствующих концентраций, что делает изотопный анализ более чувствительным к физиологическим изменениям, чем содержание элементов. Кроме того, изотопный состав цинка коррелирует с гликемическими и липидными параметрами крови, а изотопный состав железа коррелирует с гликемическими параметрами (Agustina A M B Hastuti et all, 2020, doi: 10.1007/s00216-019-02291-2). Очевидно, что исследования указанной проблематики обладают абсолютной новизной и актуальностью. Реализация проекта предполагает получение принципиально новых данных, не имеющих в настоящий момент аналогов, основанных на изучении изотопного состава элементов (на примере железа и меди: 63Сu, 65Сu, 54Fe, 56Fе, 57Fе, 58Fе), их фракционированием; состояния обмена различных форм химических элементов у животных (молочные коровы) с высокой продуктивностью, а также при коррекции гиперэлементозов токсических элементов, разработанной при реализации проекта органоминеральной кормовой добавкой. Будут установлены референтные интервалы распределения стабильных изотопов (на примере железа и меди: 63Сu, 65Сu, 54Fe, 56Fе, 57Fе, 58Fе ) в сыворотки крови цыплят – бройлеров при коррекции рациона веществами, различного функционального назначения: пре- и пробиотики, фитобиотики, энтеросорбенты. Стабильные изотопные составы биометаллов будут использованы в качестве эффективных маркеров для диагностики различного рода состояний, связанных изменением минерального обмена и/или гиперэлементозами. В ходе реализации проекта будет впервые дана подробная характеристика метаболизма химических элементов в зависимости от металломики отдельных элементов. Будут впервые определены референтные интервалы концентраций металло-лигандных форм микроэлементов в сыворотке крови характерные для высокопродуктивных животных. Будут впервые изучены особенности кинетики химических элементов в зависимости от продуктивности, периода содержания и коррекции гиперэлементоза токсических элементов, разработанной органоминеральной кормовой добавкой. Будет определена реорганизация кишечного микробиома коров в различные периоды выращивания, в том числе при коррекции гиперэлементоза токсических элементов. На основании полученных данных будут выявлены наиболее характерные метаболические модели, связанные с высокой продуктивностью. Будет разработан прототип органоминеральной кормовой добавки для коррекции элементного статуса и повышения продуктивности. Комплексный подход к оценке обмена химических элементов в организме будет также совмещен с изучением распределения стабильных изотопов (на примере меди и железа) в сыворотке крови, а также с оценкой уровня экспрессии генов, ассоциированных с транспортом металлов, с установлением взаимосвязи регуляции генов с продуктивными характеристиками сельскохозяйственных животных. Будет опубликовано 10 статей, в том числе 6 в журналах, входящих в базу Web of Science/Scopus, 4 статьи в журналах RSCI. Практические решения, на основе полученных данных, будут зарегистрированы в качестве объектов интеллектуальной собственности (не менее 3 патентов на изобретения).

Ожидаемые результаты
В ходе реализации проекта будет впервые дана подробная характеристика метаболизма химических элементов в зависимости от металломики отдельных элементов. Будут впервые определены референтные интервалы концентраций металло-лигандных форм микроэлементов в сыворотке крови характерные для высокопродуктивных животных. Будут впервые изучены особенности кинетики химических элементов в зависимости от продуктивности, периода содержания и коррекции гиперэлементоза токсических элементов разработанной, в ходе реализации проекта органоминеральной кормовой добавкой. В ходе реализации проекта будет определена реорганизация кишечного микробиома коров молочного направления продуктивности в различные периоды выращивания, в том числе при коррекции гиперэлементоза токсических элементов. Будут установлены референтные интервалы распределения стабильных изотопов (на примере железа и меди: 63Сu, 65Сu, 54Fe, 56Fе, 57Fе, 58Fе) химических элементов в сыворотки крови цыплят – бройлеров при коррекции рациона веществами, различного функционального назначения: пре- и пробиотики, фитобиотики, энтеросорбенты. На основании полученных данных будут выявлены наиболее характерные метаболические модели, связанные с высокой продуктивностью. С учетом данных о характерных метаболических моделях, в том числе особенностях распределения металло-лигандных форм микроэлементов, а также результатах интерпретации концентраций этих элементов в границах установленных референтных интервалов, будет разработан прототип органоминеральной кормовой добавки для коррекции элементного статуса и повышения продуктивности. Комплексный подход к оценке обмена химических элементов в организме будет также совмещен с изучением распределения стабильных изотопов (на примере меди и железа) в сыворотке крови, а также с оценкой уровня экспрессии генов, ассоциированных с транспортом металлов, с установлением взаимосвязи регуляции генов с продуктивными характеристиками сельскохозяйственных животных. Реализация проекта предполагает получение принципиально новых данных, не имеющих в настоящий момент аналогов, основанных на изучении изотопного состава элементов (на примере железа и меди: 63Сu, 65Сu, 54Fe, 56Fе, 57Fе, 58Fе ), их фракционированием; состояния обмена различных форм химических элементов у животных с высокой продуктивностью. Стабильные изотопные составы биометаллов будут использованы в качестве эффективных маркеров для диагностики различного рода состояний, связанных изменением минерального обмена и/или гиперэлементозами. Результаты полученные в ходе реализации проекта позволят с одной стороны устранить существующие пробелы в фундаментальной науке, тогда как с другой, создадут научную базу для решения практических вопросов в области скотоводства путем пересмотра норм потребления минеральных элементов высокопродуктивными животными и создания кормовых добавок для метаболической коррекции элементного статуса. На основании результатов исследований будет опубликовано 10 статей, в том числе 6 в журналах, входящих в базу данных Web of Science Core Collection или Scopus, 4 статьи в журналах RSCI, будут разработаны методические рекомендации по использованию полученных результатов, в реальном секторе экономики. Практические решения, на основе полученных данных, будут зарегистрированы в качестве объектов интеллектуальной собственности (не менее 3 патентов на изобретения).

 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2023 году
Сформирована база данных мультиэлементного состава, морфологических и биохимических показателей сыворотки крови у экспериментальной группы коров различного уровня продуктивности: высокопродуктивные и низкопродуктивные в стойловый и пастбищный периоды содержания. Установлено, что сывороточная концентрация Na, K, Mg и Ca характеризовалась достоверным увеличением в пастбищный период, особенно у высокопродуктивных коров, тогда как концентрация Р у всех животных снижалась. В пастбищном периоде более выраженное снижение уровня B, Cr, Fe, Mn, Se было более выражено у низкопродуктивных животных, тогда как для высокопродуктивных коров было характерно более выраженное снижение циркулирующего уровня Co и I. При этом сывороточный уровень токсичных элементов, а также кобальта, был связан не только с их концентрацией в молоке, но и обратно ассоциирован с уровнем макроэлементов и железа в молоке. Интересно, что на фоне большей концентрации токсичных металлов в сыворотке высокопродуктивных коров в стойловом периоде, наблюдаемое в пастбищном периоде снижение уровня данных элементов в обеих группах животных приводило к нивелированию данных различий. Более того, в пастбищном периоде уровень мышьяка и особенно свинца в сыворотке крови высокопродуктивных коров был достоверно ниже такового у низкопродуктивных животных. Факторный анализ, осуществленный с использованием двухфакторного дисперсионного анализа (two-way ANOVA), позволил установить значимость влияния различий в продуктивности, периоде содержания, а также факториального взаимодействия на уровень анализируемых макроэлементов-электролитов. В соответствии с результатами группового сравнения, период содержания, равно как и уровень продуктивности животных, оказывали статистически значимое влияние на уровень всех анализируемых макроэлементов. При этом статистическая значимость влияния периода содержания была более выражена по сравнению с влиянием уровня продуктивности. Проведен дискриминантный анализ, направленный на оценку вклада отдельных химических элементов в интегральные различия в элементном статусе животных. В соответствии с результатами группового сравнения, дискриминантный анализ продемонстрировал отсутствие достоверного разделения между группами высоко- и низкопродуктивных коров в стойловом периоде, о чем свидетельствует незначительная величина расстояния Махаланобиса (MD2 = 14,706, P = 0,148). В свою очередь, в пастбищном периоде различия в содержании анализируемых химических элементов приводили к достоверному разделению (дискриминации) между группами животных с различной молочной продуктивностью (MD2 = 58,406, P ≤ 0,001). Еще более отчетливое разделение отмечалось между показателями стойлового и пастбищного периода как у животных с низкой (MD2 = 1422,435, P ≤ 0,001) и высокой (MD2 = 1591,373, P ≤ 0,001) молочной продуктивностью. Установлено, что наибольший вклад в разделение групп вносят мышьяк (P = 0,033), кальций (P ≤ 0,001), хром (P = 0,027), ртуть (P = 0,007), калий (P = 0,023), марганец (P = 0,045), никель (P = 0,004) и ванадий (P ≤ 0,001) Результаты корреляционного анализа показали наличие взаимосвязи между уровнем химических элементов в сыворотке крови и молоке коров в пастбищном периоде. Установлено, что концентрация кадмия в сыворотке крови тесно связана с его уровнем в молоке (r = 0,911). В то же время, выявлена обратная взаимосвязь между концентрацией кобальта в сыворотке крови и молоке (r = -0,797). Также обращает на себя обратная взаимосвязь между сывороточной концентрацией кобальта и уровнем магния (r = -0,909), фосфора (r = -0,755) и кальция (r = -0,927) в молоке. Помимо этого, установлена отрицательная взаимосвязь между уровнем мышьяка (r = -0,808), никеля (r = -0,760) и свинца (r = -0,713) в сыворотке крови и концентрацией железа в молоке. Таким образом, изменение концентрации как эссенциальных, так и токсичных микроэлементов в сыворотке крови коров под влиянием внутренних (уровень продуктивности) и внешних (период содержания) факторов может оказывать статистически значимое влияние на уровень микроэлементов в молоке, что напрямую отражается на его качестве и пищевой ценности. Таким образом, на фоне незначительных различий в концентрации эссенциальных макро- и микроэлементов, а также большей концентрации токсичных микроэлементов у высокопродуктивных коров в стойловом периоде, переход на пастбищное содержание сопровождался более выраженным повышением концентрации эссенциальных макроэлементов-электролитов, выраженным снижением концентрации токсичных металлов с достижением статистически значимо меньших значений по сравнению с низкопродуктивными коровами, а также менее выраженным снижением сывороточного уровня большинства эссенциальных микроэлементов. Полученные результаты позволят рекомендовать коррекцию минерального питания дойных коров в зависимости от периода содержания. С применением одноквадрупольного масс-спектрометра с индуктивно связанной плазмой Agilent 7900 проведена оценка динамических сдвигов по концентрации и регистрация референтных интервалов распределения стабильных изотопов железа и меди: 63Cu, 65Cu, 54Fe, 56Fe, 57Fe, 58Fe и химических элементов в сыворотке крови цыплят-бройлеров (Na, Mg, Al, P, K, Ca, Mn, Co, Ni, Cu, Ga, Sr, Ag, Cd, In, I, Ba, Tl, Pb, Bi, Cr, Zn, As, Se) при коррекции рациона веществами, различного функционального назначения: пре- и пробиотики, фитобиотики, органоминеральные добавки, энтеросорбенты . Установлено, что введение в рацион минеральных комплексов на основе цеолита, кремнезема; кремнийсодержащей добавки на основе УДЧ SiO2 способствует снижению содержания калия, галлия, стронция, кадмия, индия, йода, бария, таллия, свинца, висмута, цинка, мышьяка и селена, а также изотопов железа и меди, что может быть обусловлено микропористой архитектурой используемых композитов. Равным образом, применение биологически активных, ферментных, анти- и фитобиотических добавок в первом и втором случае повышает концентрацию натрия и свинца в сыворотке, одновременно нивелируя долю галлия, кадмия, индия, йода, таллия, висмута, хрома, цинка, мышьяка и изотопов меди; в третьем же – способствовало увеличению содержания натрия, магния, марганца, хрома, одновременно достоверно снижая уровни галлия, серебра, кадмия, индия, таллия, свинца, висмута, мышьяка и изотопов железа. По представленным результатам были сформированы референтные диапазоны распределения химических элементов в сыворотке крови цыплят-бройлеров, включая таковые для стабильных изотопов железа и меди 63Cu, 65Cu, 54Fe, 56Fe, 57Fe, 58Fe. В результате проведенных исследований сформирована база данных, включающая оценку продуктивности, параметров рубцового пищеварения Сформирована база данных оценки прототипа органоминеральной кормовой добавки для коррекции гиперэлементоза токсических элементов в экспериментах in vitro, in situ, in vivo. В качестве компонентов органоминеральной кормовой добавки были использованы аминокислоты (лизин, метионин, триптофан – каждая в трех концентрациях), сульфат натрия безводный (в двух концентрациях), ультрадисперные частицы SiO2, адсорбент. Пшеничные отруби использованы как базовый субстрат для кормовой добавки. Показано, что, использование различных аминокислот в качестве компонента кормовой добавки способствовало положительным сдвигам в рубцовом пищеварении. Максимальные положительные эффекты были отмечены при использовании метионина, триптофана и лизина в определённых концентрациях. В ходе экспериментов установлены эффективные концентрации исследуемых компонентов и их сочетания. В результате прототип органоминеральной добавки был составлен в двух вариантах: из 5 компонентов (пшеничные отруби, адсорбент, комплекс аминокислот, сульфат натрия, SiO2) и 4 компонентов (пшеничные отруби, адсорбент, комплекс аминокислот, сульфат натрия).

 

Публикации

1. Власов Е.А, Сизова Е.А., Нечитайло К.С., Рязанцева К.В., Камирова А.М., Иванищева А.П., Шошин Д.Е., Мусабаева Л.Л. Физические и биологические методы улучшения питательности кормов (обзор) Сельскохозяйственная биология, - (год публикации - 2024)

2. Кван О.В., Мирошников С.А., Шейда Е.В., Сизова Е.А., Маркова И.В. Влияние энетросорбентов на микробное разнообразие слепой кишки цыплят-бройлеров при скармливании полусинтетического рациона Животноводство и кормопроизводство, - (год публикации - 2024)

3. Кван О.В., Сизова Е.А., Вершинина И.А. Влияние ультрадисперсных частиц меди и железа на микробиоценоз кишечника сельскохозяйственной птицы АГРАРНАЯ НАУКА, - (год публикации - 2024)

4. Кван О.В., Сизова Е.А., Вершинина И.А. Влияние ультрадисперсных частиц меди и железа на микробиоценоз кишечника сельскохозяйственной птицы Аграрная наука, - (год публикации - 2024)

5. Кван О.В., Сизова Е.А., Вершинина И.А., Камирова А.М. МИНЕРАЛЬНЫЙ ОБМЕН И МИКРОБНОЕ РАЗНООБРАЗИЕ СЛЕПОГО ОТДЕЛА КИШЕЧНИКА У ЦЫПЛЯТ-БРОЙЛЕРОВ (Gallus gallus L.) ПРИ ВКЛЮЧЕНИИ В ПОЛУСИНТЕТИЧЕСКИЙ РАЦИОН ПИЩЕВЫХ ВОЛОКОН Сельскохозяйственная биология, 2023, том 58, № 4, с. 700-712 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.15389/agrobiology.2023.4.700rus

6. Нечитайло К.С., Сизова Е.А. Изменение элементного статуса организма на фоне энзимсодержащего рациона Актуальная биотехнология, №1, 2023 (год публикации - 2023)

7. Сизова Е.А., Мирошников С.А., Нотова С.В. и др Serum Mineral Levels in Dairy Cows Transiting from Feedlot to Pasture Biological Trace Element Research, - (год публикации - 2023) https://doi.org/10.1007/s12011-023-03687-z

8. Сизова Е.А., Мирошников С.А., Нотова С.В., Тиньков А.А., Скальный А.В. Serum Mineral Levels in Dairy Cows Transiting from Feedlot to Pasture Biological Trace Element Research, - (год публикации - 2023) https://doi.org/10.1007/s12011-023-03687-z

9. Иванищева А.П., Сизова Е.А., Яушева Е.В. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПРЕБИОТИКОВ НА ОСНОВЕ ОЛИГО- И ДИСАХАРИДОВ В ПТИЦЕВОДСТВЕ — МИНИ-ОБЗОР Сельскохозяйственная биология, 2023, том 58, № 4, с. 609-621 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.15389/agrobiology.2023.4.609rus