Изучение роли микроорганизмов в силосе: виды, сообщества, взаимодействия и функциональные характеристики (аннотация)
#силосование #сельскохозяйственная микробиология #молочнокислые бактерии #лактобациллы #качество силоса
Силосование трав популярно во всем мире для обеспечения качественных кормов для жвачных животных.
Этот процесс включает создание анаэробной среды для молочнокислых бактерий (МКБ), которые преобразуют ферментируемые субстраты в большое количество органических кислот, в основном молочной кислоты, в результате чего в силосе создается кислая среда. Во время силосования накопление молочной кислоты в основном отвечает за снижение pH (< 4,2), что обеспечивает хорошую сохранность травы в течение длительного периода.
Многочисленные исследования изучали взаимосвязь между продуктами ферментации и структурой микробных сообществ во время силосования с помощью технологии секвенирования нового поколения. В то же время, большинство исследований описывают только состав микроорганизмов и упускают из виду их функциональность во время силосования. Насколько нам известно, функции микроорганизмов обычно играют более важную роль, чем их состав, в регулировании продуктов ферментации силоса. Поэтому необходимо провести исследования для изучения роли микроорганизмов в силосовании.
В данном обзоре рассматриваются виды, состав сообществ, взаимодействие и функциональные характеристики микробных сообществ в силосе. В обзоре представлены 34 оригинальные научные статьи, подготовленные более чем 200 авторами, в которых рассматривается применение различных частот уборки урожая на структуру микробного сообщества и метаболические свойства силоса.
Fu et al. оценили влияние различных частот уборки на ферментативные продукты, состав и функции микробных сообществ и их метаболиты в райграсе однолетнем. Они объединили метод одномолекулярного секвенирования в реальном времени (SMRT) с методом сверхвысокоэффективной жидкостной хроматографии-масс-спектрометрии (UHPLC-MS/MS) для анализа бактериальных сообществ и метаболомных характеристик.
Бумажная шелковица (Broussonetia papyrifera L.), типичный и широко распространенный древесный корм, быстро растет, богата грубыми протеинами [211~246 г/кг сухого вещества (DM)], аминокислотами и флавоноидами и широко распространена в Азии. Cheng et al. выделили и идентифицировали штаммы МКБ из различных ресурсов и оценили их влияние на продукты ферментации, питательную ценность и структуру микробного сообщества бумажной шелковицы. Были использованы три из этих штаммов МКБ (Lactiplantibacillus plantarum, YC1; Levilactobacillus brevis, PC3; и Lactiplantibacillus plantarum, BP17) и один коммерческий инокулянт, и было установлено, что PC3 и BP17 могут улучшить качество ферментации силоса из бумажной шелковицы и могут быть использованы в качестве стартовых культур для силоса.
Chen et al. исследовали улучшение качества силоса из напьерской травы с помощью пиролигновой кислоты. Пиролигновая кислота (ПК), побочный продукт производства биоугля, как известно, обладает сильной антимикробной и антиоксидантной активностью. В данном исследовании обработка ПК снизила уровень дрожжей, плесени и колиформных бактерий, а также рН и содержание аммиачного азота (NH3-N). Добавление ПК снизило относительную численность Klebsiella и Kosakonia при одновременном увеличении Lactobacillus. Применение ПК может улучшить характеристики ферментации и аэробную стабильность, а также изменить микробные сообщества силоса.
Согласно исследованию Du et al., МКБ может непосредственно изменять химический состав и качество ферментации силоса из местных трав путем изменения бактериальных сообществ. Для получения высококачественного силоса комплекс МКБ (Lactobacillus plantarum, Lactobacillus buchneri и Pediococcus pentosaceus) показал потенциальную способность снижать pH и увеличивать относительную численность МКБ за счет синергетического действия. Эти результаты заложили теоретическую основу для внедрения инокулянтов в местные травы и предположили, что комплекс МКБ может повысить эффективность силосования местных трав.
Сорго входит в пятерку крупнейших зерновых культур с ежегодными глобальными посевными площадями и урожаем. Поскольку растение сорго имеет низкое соотношение урожая к стеблю (0,5-0,8), производство сорго, вероятно, сопровождается большим количеством стеблей сорго, которые могут стать важным сырьем для промышленного производства или кормом для животноводства, если их правильно использовать. Действительно, он используется как грубый корм для кормления жвачных животных, выступая в качестве важного источника энергии через микробную ферментацию в рубце.
Zhang et al. описали продукты ферментации, химический и бактериальный состав силоса из стеблей сорго. Они пришли к выводу, что последовательность параметров ферментации, питательных компонентов и бактериального сообщества указывает на успешное доминирование МКБ и быстрое наступление ферментационного плато, а стебли сорго с высоким содержанием влаги можно непосредственно силосовать, но pH зрелого силоса немного высок.
Сладкое сорго является важной культурой в засушливых и полузасушливых климатических регионах, которая может переносить неблагоприятные условия окружающей среды, такие как ограниченное количество осадков, высокая температура и низкая плодородность почвы. Xu et al. изучали влияние добавок МКБ на ферментативные параметры и уровень потерь, а также состав бактерий в силосе из сладкого сорго при различной плотности силоса. Они обнаружили, что силос из сладкого сорго показал удовлетворительное качество ферментации при плотности не более 650 кг/м3, а инокуляция МКБ улучшила качество ферментации и снизила потери веса при ферментации. Lactiplantibacillus и Lentilactobacillus были представлены как минорные таксоны в свежем сладком сорго но доминировали в бактериальном сообществе всех силосов; инокуляция МКБ и увеличение плотности силоса может способствовать снижению численности Lactiplantibacillus и увеличению численности Lentilactobacillus.
Консервирование - это сложный биохимический процесс, определяемый несколькими факторами, включая температуру, влажность, питательный состав сырья, время сбора урожая, длину сырья, плотность упаковки, микробиом сырья и другие. В частности, сохранение силоса из кормов и трав зависит от микробного экологического разнообразия, а эпифитные МКБ играют определяющую роль в сохранении высококачественного силоса.
Du et al. изучали биоусиливающее воздействие некоторых добавок МКБ на характеристики ферментации, структуру и функции бактериальных сообществ в силосе из местных трав. Они обнаружили, что комплекс МКБ (Lactobacillus plantarum, Lactobacillus buchneri и Pediococcus pentosaceus) может улучшить показатели силосования травяного силоса и заложить теоретическую основу для применения инокулянтов в травяном силосе.
Люцерна является высокоурожайной и богатой питательными веществами кормовой бобовой культурой и широко используется в качестве компонента рациона жвачных животных. Использование люцерны в рационе жвачных животных может расширить источник белка и тем самым снизить зависимость от дорогостоящих белковых добавок.
Bao et al. изучали влияние биодобавки Pediococcus pentosaceus и лакказы на эффективность силосования, химический состав, ферментативный гидролиз и бактериальные сообщества в люцерновом силосе. Они пришли к выводу, что биодобавка для силосования с комбинацией лакказы и Pediococcus pentosaceus может быть эффективной и практичной стратегией для улучшения ферментации силоса и сохранения питательных веществ в люцерновом силосе.
Перилла пурпурная (Perilla frutescens L.), однолетнее короткодневное лекарственное пищевое гомологическое растение, принадлежащее к семейству Lamiaceae и роду Perilla, широко распространено во многих странах и культивируется в Китае уже более 2 000 лет. Обладая большим разнообразием функциональных ингредиентов, таких как эфирные масла, полифенолы, флавоны и т.д., перилла пурпурная проявляет противомикробные, антиоксидантные и оздоровительные функции.
Li et al. оценили влияние Perilla frutescens, отдельно или в сочетании с лимонной кислотой или Lactobacillus plantarum, на продукты ферментации, грибковую и бактериальную композицию кормового овса во время силосования и воздействия воздуха. Они обнаружили, что Perilla frutescens, отдельно или в сочетании с лимонной кислотой, может улучшить аэробную стабильность кормового овсяного силоса путем изменения состава бактериальных и грибковых сообществ, и может быть использована в качестве новой добавки для приготовления высококачественного силоса для животноводства.
Бункерные силосы, круглые тюки и силосные мешки становятся распространенными способами хранения силоса. Однако отсутствие научного управления силосованием обычно приводит к плохому химическому составу и чрезмерному содержанию масляной кислоты. Xia et al. оценили влияние силосных мешков, круглых тюков и бункерных силосов на химический состав, характеристики силосования, содержание микотоксинов, аэробную стабильность и структуру микробных сообществ цельнозернового кукурузного силоса. Учитывая кормовую ценность и пищевую безопасность силоса в процессе кормления, для силоса из цельного зерна кукурузы рекомендуется использовать силосные мешки в соответствии с наблюдаемыми питательными качествами, индексом ферментации и содержанием микотоксинов.
Наряду с сеном, местная трава рассматривается как важный ресурс для кормов животных на Монгольском нагорье, и ежегодно в скотоводческих районах заготавливается большое ее количество. Hou et al. охарактеризовали и идентифицировали выделенные штаммы МКБ, а также изучили их влияние на эффективность силосования местной травы на плато Внутренней Монголии. Это исследование показало, что местная трава содержит большое количество видов МКБ и может быть хорошо сохранена при силосовании.
С быстрым развитием животноводства люцерна (Medicago sativa L.) становится важным сырым кормом для молочных рационов. Силосование является одним из эффективных методов сохранения питательных веществ люцерны. Большинство истинных белковых фракций люцерны в процессе силосования разлагаются на небелковый азот. В частности, деятельность вредных микроорганизмов, таких как клостридии и энтеробактерии, значительно снижает содержание аминокислот, что приводит к потерям питательных веществ. Huo et al. исследовали влияние инокулянтов МКБ на профиль ферментации, углеводный и белковый составы, а также бактериальные сообщества в силосе из люцерны. Они пришли к выводу, что качество ферментации и сохранение питательных веществ в люцерновом силосе эффективно улучшилось благодаря инокуляции L. pentosus.
В целом, данный обзор исследований предоставил разнообразные знания о микробных сообществах силоса с точки зрения видов, сообществ, взаимодействия и функций, используя междисциплинарные подходы, сочетающие методы мультиомики. Статьи по данной теме исследования позволили получить инновационные результаты и выявить множество нерешенных проблем, которые требуют дальнейшего изучения силоса. Тем не менее, все еще существует большой пробел в изучении влияния микроорганизмов на ферментативные продукты и реакцию животных. Следовательно, будущие исследования должны быть направлены на подавление образования нежелательных продуктов в силосе и повышения продуктивности животных.
