Стратегия молекулярной аквакультуры в разработке новых синбиотических препаратов для улучшения здоровья и качества рыбы

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 проекта 23-76-30006

НазваниеСтратегия молекулярной аквакультуры в разработке новых синбиотических препаратов для улучшения здоровья и качества рыбы

Руководитель Рудой Дмитрий Владимирович, Кандидат технических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Донской государственный технический университет" , Ростовская обл

Конкурс №81 - Конкурс 2023 года по мероприятию «Проведение исследований научными лабораториями мирового уровня в рамках реализации приоритетов научно-технологического развития Российской Федерации» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

Область знания, основной код классификатора 06 - Сельскохозяйственные науки; 06-104 - Агробиотехнологии

Ключевые слова молекулярная аквакультура, тест-системы, генотипирование, пробиотик (постбиотик, пребиотик, парабиотик, синбиотик), корма, здоровье рыбы, иммуномодуляция, направленное действие, искусственный ЖКТ, антимикробные вещества

Код ГРНТИ69.25.14

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Аквакультура в Российской Федерации - динамично развивающаяся отрасль, обладающая значительным потенциалом в отношении стратегии обеспечения продовольственной безопасности страны. Тем не менее, на пути стабильного увеличения объемов аквакультуры в стране и обеспечения населения высококачественной, разнообразной и доступной рыбной продукцией встают проблемы технологического характера. В первую очередь, к ним относятся: – болезни культивируемых объектов, снижающие продуктивность, реализуемость товара; - отсутствие систем эффективного контроля и экспресс-диагностики патогенов; - экологические проблемы, связанные с качеством среды выращивания гидробионтов, – отсутствие достаточного ассортимента и дороговизна специализированных комбикормов отечественного производства. Научная проблема, на решение которой направлен проект, состоит в получении новых фундаментальных знаний и принципов в решении проблем развития интенсивной аквакультуры в РФ, на основе разработки стратегии молекулярной аквакультуры. Эта стратегия заключается в разработке и валидации системы молекулярных маркеров для оценки состояния культивируемых объектов; на ее основе мы создадим новые экологически чистые синбиотические препараты и корма для улучшения здоровья и качества рыбы. Задача создания отечественных многофункциональных кормовых добавок, обеспечивающих не только рост и развитие объектов аквакультуры, но и профилактику заболеваний, модуляцию иммунного статуса объектов и контроль качества среды, является чрезвычайно актуальной. Корма являются основой экономики промышленной аквакультуры и вывод на рынок линейки принципиально нового эффективного продукта в перспективе даст толчок к развитию отрасли. В результате реализации проекта будет создана уникальная научно-прикладная образовательная база молекулярной аквакультуры, служащая для изучения влияния пробиотиков и биологически-активных препаратов природного происхождения на биохимию и физиологию аквакультур, как в животных моделях, так и на аквакультурах сельскохозяйственного значения. Данная база послужит основой для уникальных исследований по изучению влияния пробиотиков на аквакультуры в разные стадии её развития и положит основу для создания уникальных пробиотиков, нацеленных на аквакультуры в разных стадиях онтогенеза. Объектами аквакультуры в проекте будут лососевые, осетровые, карповые рыбы, а также новые объекты аквакультуры, такие как тилапия. Конкретные цели: - разработка системы молекулярных маркеров для оценки состояния объектов аквакультуры, в том числе после применения пробиотических и синбиотических препаратов; - разработка системы контроля состояния объектов аквакультуры с использованием естественных механизмов: пробиотиков, пребиотиков, синбиотиков; целенаправленная модуляция состояния объектов аквакультуры на разных стадиях развития; - разработка линейки новых синбиотических препаратов, основанная на стратегии молекулярной аквакультуры для улучшения здоровья и качества рыбы: корма для личинок, молоди, взрослых рыб и производителей; - разработка новых подходов к эффективному использованию растительных кормов в аквакультуре: пребиотики и пробиотики как фактор, повышающий усвояемость питательных веществ корма; - разработка системы многоступенчатого скрининга биологических параметров и рыбоводческих характеристик, (включая разработку модели Danio rerio); Дополнительным результатом проекта станет новый подход к оперативной оценке ситуации на предприятиях промышленной аквакультуры: качество препаратов, безопасность продукции, активность патогенов, воздействие на окружающую среду и воздействие потенциально стрессовых факторов. По результатам выполнения проекта будет создано новое направление в аквакультуре и смежных инженерных дисциплинах.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Пономарева Е.Н., Лионг М.Т., Сорокина М.Н., Григорьев В.А., Мазанко М.С., Чистяков В.А., Рудой Д.В. Probiotic Bacillus amyloliquefaciens B-1895 improved growth of juvenile trout Food Science of Animal Resources, 2024 Jul;44(4) (год публикации - 2024)
10.5851/kosfa.2023.e75

2. Григорьев В.А., Куликов М.П., Мазанко М.С., Празднова Е.В., Чистяков В.А., Рудой Д.В., Брень А.Б., Ковалева А.В., Иванов Ю.А. Влияние качества корма на функциональное состояние организма и микробиом кишечника стерляди (Acipenser ruthenus) НАУКА ЮГА РОССИИ, 2024 Т. 20 № 1 С. 70–76 (год публикации - 2024)
10.7868/25000640240109

3. Пономарева Е.Н., Григорьев В.А., Гуляева А.Ю., Мазанко М.С., Празднова Е.В., Чистяков В.А., Рудой Д.В., Брень А.Б., Сорокина М.Н., Иванов Ю.А. Влияние кормов с пробиотиками на показатели роста и поведенческие реакции молоди карпа (Cyprinus carpio), стерляди (Acipenser ruthenus) и бестера (Huso huso × Acipenser ruthenus) НАУКА ЮГА РОССИИ, 2024 Т. 20 № 2 С. 83–90 (год публикации - 2024)
10.7868/S25000640240211

4. Вибе В.В., Куликов М.П., Празднова Е.В., Мазанко М.С., Чистяков В.А., Рудой Д.В., Шевченко В.Н., Куликова Н.А. Effect of growth medium composition on the efficiency of non-ribosomal synthesis in bacteria of the genus Bacillus BIO Web of Conferences 113, 02020 (2024), BIO Web Conf. 113 02020 (2024) (год публикации - 2024)
10.1051/bioconf/202411302020

5. Куликов М.П., Празднова Е.В., Мазанко М.С., Рудой Д.В. Метагеномная модель динамики микробиоты клариевого сома в первые месяцы жизни Наука Юга России (год публикации - 2025)

6. Рудой Д.В., Шевченко В.Н., Корчунов А.А., Старцев А.В., Мазанко М.С., Мальцева Т.А., Головко Л.С., Жумбей А.И., Ольшевская А.В Testing of probiotics Bacillus velezensis MT14+MT42 with ecoenzyme properties on juvenile fish (Acipenseridae Bonaparte, 1831) Fisheries and Aquatic Sciences (год публикации - 2025)

7. Васильченко Н.Г., Механцева К.В., Иванов Ф.Д., Пуликова Е.П., Чистяков В.А., Усатов А.В., Брень А.Б., Рудой Д.В. Биотехнологически перспективные свойства бактерий родов Bacillus и Paenibacillus, выделенных из ризосферы пшеницы озимой (Triticum Aestivum L.). Часть 1 Известия вузов. Северо-Кавказский регион. Естественные науки (год публикации - 2024)

8. Васильченко Н.Г., Механцева К.В., Иванов Ф.Д., Пуликова Е.П., Чистяков В.А., Усатов А.В., Брень А.Б., Рудой Д.В. Биотехнологически перспективные свойства бактерий родов Bacillus и Paenibacillus, выделенных из ризосферы пшеницы озимой (Triticum aestivum L.) (Часть 2) Известия вузов. Северо-Кавказский регион. Естественные науки (год публикации - 2024)

9. Скрипниченко Р.В., Челомбитская Д.С., Празднова Е.В., Куликов М.П., Неуров А.М., Заикина А.А., Григорьев В.А, Сорокина М.Н., Чистяков В.А., Чикиндас М.Л., Рудой Д.В. Potential Probiotic Bacillus Strains with Antioxidant and Antimutagenic Activity Increased Weight Gain and Altered hsp70, cxc, tnfα, il1β, and lysC Gene Expression in Clarias gariep Fishes, Fishes 2024, 9, 476 (год публикации - 2024)
10.3390/fishes9120476

10. Рудой Д.В., Иванов Ю.А., Ольшевская А.В., Шевченко В.Н., Одабашян М.Ю., Головко Л.С., Жумбей А.И., Малиновкин А.В., Куликова Н.А. Activities for the restoration of the beluga population Huso huso (Linnaeus 1758) in the Azov Sea basin in 2020-2023 BIO Web of Conferences, Т. 138. – С. 01014 (год публикации - 2024)
10.1051/bioconf/202413801014

11. Рудой Д.В., Шевченко В.Н., Празднова Е.В., Головко Л.С., Ткачева И.В., Жумбей А.И. Prospects for the application of probiotics to increase the efficiency of integrated cultivation of aquatic animals and plants in an aquaponics system Fisheries and Aquatic Sciences (год публикации - 2025)

12. Пономарева Е.Н., Сорокина М.Н., Григорьев В.А., Мазанко М.С., Чистяков В.А. Оценка действия пробиотических препаратов антиоксидантного и ферментативного действия на основе штамма Bacillus Subtilis на рост и физиологическое состояние рыб Вестник НГАУ (год публикации - 2024)

13. Неуров А.М., Заикина А.А, Празднова Е.В., Ранджан А., Рудой Д.В. Modulation of Stress-Related Protein in the African Catfish (Clarias gariepinus) Using Bacillus based Non-Ribosomal Peptides Microbiology Research (год публикации - 2024)

14. Корниенко И.В., Арамова О.Ю., Тищенко А.А., Рудой Д.В., Чикиндас М.Л. RNA stability: a review of the role of structural features and environmental conditions Molecules (год публикации - 2025)

15. Донской Д.Ю., Лукьянов А.Д. Simulation of TEC1-12706 for Use in In Vitro Studies of the Gastrointestinal Tract of Animals 2024 International Russian Automation Conference (RusAutoCon), 2024 International Russian Automation Conference (RusAutoCon), Sochi, Russian Federation, 2024, pp. 415-419 (год публикации - 2024)
10.1109/RusAutoCon61949.2024.10694184

16. Иванов Ю.А., Лукьянов А.Д., Донской Д.Ю., Рудой Д.В. Моделирование и идентификация элемента Пельтье TEC1‑12706 для применения в малообъемных биореакторах искусственного ЖКТ рыб Агроинженерия, Т. 26, № 3. С. 58-65 (год публикации - 2024)
10.26897/2687‑1149‑2024‑3-58-65

17. Чистяков В.А., Чикиндас М.Л., Тодоров С.Д., Брень А.Б., Аллилуева Е.В., Рудой Д.В. Aquaculture as source of sustainable proteins Food Science and Applied Biotechnology (год публикации - 2025)

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
Стратегия молекулярной аквакультуры предполагает использование системы молекулярных маркеров для оценки состояния объектов и учитывает действие микробиома и взаимодействие его с хозяином на молекулярном и эпигенетическом уровнях. Валидация разрабатываемой стратегии позволит вывести на новый качественный уровень контроль за здоровьем рыбы и эффективность аквакультуры (https://fishportal.ru/index/index_29067.html). В ходе выполнения работ второго года проекта разработана модель для тестирования пробиотиков на данио-рерио. Оптимизированы условия содержания, подобран индуктор окислительного стресса; подобраны методики тестирования состояния антиоксидантной системы и уровня окислительного стресса с помощью Lux-биосенсоров и биохимических тестов. Проведено сравнение традиционных методов хранения РНК-содержащего биоматериала с использованием жидких стабилизирующих растворов и нового метода, основанного на твердом носителе. Результаты показали, что хранение на твердых носителях значительно уменьшает деградацию РНК. Данный подход может стать основой для установления транскриптомных профилей рыб для создания стратегий сохранения популяций. Протестирована антиоксидантная и антимутагенная активность наиболее перспективных пробиотиков, отобранных на предыдущем этапе. Наиболее активный пробиотик с антиоксидантными свойствами снижал окислительный стресс у мальков форели и стерляди, причем эффект был тканеспецифичным. Наиболее эффективный пробиотик с антимутагенными свойствами снижал количество химически индуцированных мутаций у кишечных бактерий на 72%. Секвенированы и собраны полные геномы 6 наиболее перспективных пробиотических штаммов. Установлена их таксономическая принадлежность: 2 штамма - Bacillus subtilis, 4 - B. velezensis. Анализ геномов показал, что 100% проанализированных штаммов несут гены синтеза бацилизина и бациллаена. Найдены гены синтеза литических ферментов и других важных метаболитов. Разработана методика подбора штаммов для создания комплексных мультиштаммовых и мультивидовых препаратов, позволяющая избежать снижения активности и антагонистических отношений между штаммами. С помощью этой методики разработана, произведена и прошла апробацию линейка мультиштаммовых пробиотиков, специализированная под потребности конкретных видов и возрастов рыб. Для личинок и молоди разработаны препараты, улучшающие усвояемость кормов в условиях развивающегося ЖКТ. Для взрослых рыб к литическим штаммам добавляются штаммы с антиоксидантной активностью. Для рыб-производителей рекомендованы препараты с антимутагенной и ДНК-протекторной активностью для повышения качества половых продуктов. В рамках проекта подобран уникальный комплекс условий, позволяющий in vitro оценивать потенциальную активность штаммов в условиях организма рыбы и тем самым эффективно подбирать штаммы. Изготовлен опытный образец ИЖКТ рыбы с пониженной температурой биореактора. Опытный образец включает в себя четыре канала системы управления биореакторами с контролем и управлением температурой внутри биореактора, величины pH химуса и скорости перемешивания. Дополнительный перистальтический насос предназначен для управляемого долива в биореактор питательной среды или отбора из него отработанного химуса. Изготовлены опытные партии комбикормов для осетровых, форелевых, карповых и сомовых. Результаты применения методики финишного напыления жидких компонентов показали успешное введение жиров в корма. При добавлении до 15% жира в гранулированные корма и до 27% в экструдированные, удалось эффективно интегрировать рыбий жир с пробиотиками в гранулированный корм. Метод включает нагрев жировой эмульсии до 40°C, добавление пробиотиков и антиокислителей, а также использование низкого давления для впитывания эмульсии в гранулы. Полученный корм сохраняет питательные свойства и пробиотическую активность бактерий, что способствует улучшению состояния рыб (http://xn--80aaag3bch4bric0i.xn--p1ai/news/uchenye-dgtu-razrabotali-kombikorma-prevoskhodyashchie-po-kachestvu-mirovye-analogi/). Применение термостабильных пробиотиков на этапе гранулирования обеспечило сохранение живых микроорганизмов и их доставку в кишечник рыб, что может повысить их устойчивость к заболеваниям и улучшить метаболизм. Разработанный метод является перспективным решением для повышения качества кормопроизводства в аквакультуре. Использование биопрепаратов в аквакультуре требует оценки состояния биологических объектов и систем для обеспечения их здоровья и выживаемости. В эксперименте с пробиотическими микроорганизмами была использована дозировка 0,5 г на 100 л воды при температуре 26°C. Препарат вводился в емкость с молодью клариевого сома, где выживаемость рыб составила 100% за 3 суток. После эксперимента были отобраны пробы воды для посева на питательные среды, где наблюдался рост колоний пробиотических штаммов. Также протестировано влияние пробиотиков на дафний, где выживаемость в опыте составила 30%, а в контроле — 80%. Таким образом при бактериопосредованном воздействии пробиотиков на дафний показано, что пробиотики сохраняют высокую активность в водной среде в системах выращивания. Проведенные испытания кормов с пробиотиками на молоди стальноголового лосося, стерляди, карпа и клариевого сома показали статистически значимое улучшение роста рыб по сравнению с контролем, с увеличением массы на 6,8–10,55%. Среднесуточный прирост веса в экспериментальных группах был выше на 13,75%, что указывает на более эффективное усвоение питательных веществ (https://ri.ria.ru/20241015/nauka-1978004579.html). Для оценки влияния пробиотиков на кишечный микробиом, включая его некультивируемую часть, в модельном опыте на стерляди был также проведен метагеномный анализ. Транскриптомный анализ стерляди, сома, карпа, бестера, получавших пробиотики, показал изменение экспрессии более 200 генов, связанных с иммунитетом, стрессом, пищевым поведением и уровнем метаболизма (https://rscf.ru/news/release/probiotiki-na-osnove-batsill-na-29-uskorili-rost-klarievogo-soma/). На основании этого анализа разработана линейка генетических маркеров, позволяющих всесторонне оценить состояние рыбы с помощью ПЦР-анализа; подобраны праймеры на ключевые гены данио-рерио, карпа, клариевого сома, стерляди. Результаты подтверждают эффективность пробиотиков для повышения качества выращиваемых рыб (https://www.magazine.fish/news/akvakultura/v_dgtu_sozdali_unikalnyy_korm_dlya_osetrovykh_ryb/; https://feedlot.ru/novosti/uchenyie-dgtu-razrabotali-probioticheskuyu-kormovuyu-dobavku-dlya-raduzhnoj-foreli) и могут стать основой для дальнейших стратегий в аквакультуре (https://mcx.donland.ru/presscenter/news/295567/).

Публикации