Биотехнология в животноводстве

имеющим значительно меньше микрофлоры, главный путь обеспечения витаминами – потребление с пищей или непосредственно витаминов, или их метаболических предшественников – провитаминов, которые в орга- низме человека и животных превращаются в витамины. В то же время жвачные животные, имеющие в преджелудках обильную микрофлору, способную к синтезу витаминов, в значительной степени удовлетворяют свою потребность во многих витаминах за счет переваривания клеток от- мершихмикроорганизмов.

В связи с тем, что основные компоненты кормов сельскохозяйствен- ных животных – продукты растительного происхождения – имеют не оп-

тимальный состав и постоянно меняющееся содержание необходимых животным витаминов, при составлении кормовых рационов возникает необходимость добавлять в корма препараты, обогащенные витаминами, которые получают из культур микроорганизмов. Микробиологическая промышленность нашей страны выпускает два вида кормовых витамин- ных препаратов – кормовой рибофлавин, содержащий витамин В2, и КМБ

– 12, имеющий в своем составе витамин В12.

Кормовые препараты витамина В2. Витамин В2 (рибофлавин) вхо-

дит в состав активных групп окислительно-восстановительных ферментов

– флавинмононуклеотида (ФМН) и флавинадениндинуклеотида

(ФАД). Поэтому при его недостатке наблюдается ослабление окислитель- но-восстановительных процессов в организме. По нормам кормления свиньям этого витамина требуется не менее 2-7 мг, лошадям и птице – 2-5 мг на 1 кг сухого корма. Однако, в растительной продукции,используемой в кормопроизводстве витамина В2 содержится недостаточно. Много ри- бофлавина могут синтезировать микроорганизмы – различные виды бак- терий, актиномицеты, дрожжевые клетки.

В качестве промышленных продуцентов кормового рибофлавина ис- пользуется отселектированные штаммы дрожжей. Рибофлавин накапли-

вается в вакуолях дрожжевых клеток и придает культуре характерную желтую окраску. Для производственной ферментации готовятся отдельно жидкая питательная среда и посевной материал культуры дрожжей. Пита- тельная среда в необходимых концентрациях включает соевую муку, ку- курузный экстракт, мел, сахар, NaCl и др. компоненты. Перед подачей в ферментер она подвергается стерилизации. В качестве посевного материа- ла используются споры дрожжей, выращенные напшене.

Промытое зерно в течение 30-35 мин. выдерживается в молочной сы- воротке для набухания, затем оно подсушивается и расфасовывается по

121

50-60 г в простирилизованные флаконы. В флаконах пшено подвергается трехкратной стерилизации, после чего производится его засев водной сус- пензией спор культуры дрожжей.

Флаконы с засеянной культурой в течение 7-8 дней инкубируют при 29-300С, после чего подсушивают в вакуум-сушильной установке и далее направляют для приготовления жидкого посевного материала, который после стерилизации подается в производственный ферментер. Культиви- рование продуцентов кормового рибофлавина проводится при 28-300С в течение 72 ч. Через каждые 8 ч ферментации отбираются пробы для кон- троля за развитием микробных клеток, составом среды и накоплением целевого продукта. Готовая культуральная жидкость по окончании фер- ментации должна содержать до 5% сухих веществ и 1.4 мг/мл рибофлави- на.

В целях стабилизации витамина в процессе высушивания культураль- ную жидкость подкисляют соляной кислотой до рН 4.5-5.0, после чего она концентрируется в вакуум-выпарной установке. Полученный концентрат обычно содержит 5.6 мг/мл витамина и 20% сухих веществ. После выпа-

ривания избытка растворителя концентрат рибофлавина высушивается на распылительной сушилке до влажности 5-10%, затем смешивается с отру- бями или кукурузной мукой и расфасовываются по 20 кг в полиэтилено- вые пакеты, которые упаковываются в крафт-мешки. В готовом продукте содержится не менее 1% витамина. Срок хранения сухого препарата – 1 год.

Кормовые препараты витамина В12. Этот витамин стимулирует об-

разование крови в костном мозге, улучшает усвоение белков. В12 не со-

держится в продуктах растительного происхождения и его единственным источником для сельскохозяйственных животных являются микроорга- низмы.

Для промышленного получения кормовых препаратов витамина В12 выращивается специально подобранный биоценоз микроорганизмов, осу- ществляющих термофильное метановое брожение. Для приготовления пи- тательной среды обычно используется барда ацетоно-бутилового произ- водства, которая очищается от твердых примесей, в нее добавляется хло- ристый кобальт (4 г/м3) и 0.5% метанола.

В процессе промышленного культивирования бактерий вначале про- изводится выращивание посевного материала (15-20 дней) в аппаратах емкостью 250 м3, затем посевной материал подается в железобетонные ферментеры емкостью 4200 м3, в которых происходит метановое броже-

122

ние. Свежая барда подается в нижнюю часть ферментера в количестве 2530% от его объема за сутки. В результате брожения (t0опт.-55-570) образу- ется газовая смесь, состоящая главным образом из метана (65%) и диокси- да углерода (30%), которая может быть использована как источник тепла при сжигании.

Готовая культуральная жидкость, образующаяся как продукт фермен- тации, обычно содержит 2-2.5% сухих веществ и 1.1-1.7 мг/л витамина В12. Для предотвращения разрушения витамина в процессе сушки культураль- ную жидкость подкисляют соляной или фосфорной кислотой до рН 6.3- 6.5 и в нее добавляют 0.2-0.25% сульфита натрия.

Подготовленная культуральная жидкость дегазируется, упаривается на вакуум-выпарной установке, полученный концентрат затем высушивается в распылительной сушилке до влажности 5-10%. В целях улучшения фи-

зических свойств сухой продукт смешивается с отрубями или кукурузной мукой, расфасовывается по 25-30 кг в полиэтиленовые пакеты и упаковы- вается в крафт мешки. Содержание витамина В12 в готовом кормовом пре- парате составляет 2.5 мг%, срок хранения – 1 год. Препарат имеет ком- мерческое название – КМБ-12 (концентратмикробныйвитамин).

8.9.Кормовые липиды. Кроме белков, углеводов и витаминов неотъ- емлемым компонентом кормов сельскохозяйственных животных являют- ся липиды, содержащие полиненасыщенные жирные кислоты – линоле-

вую, линоленовую и арахидоновую, которые не могут синтезироваться в организме животных и, следовательно, должны поступать с пищей. Поли- ненасыщенные жирные кислоты, называемые незаменимыми, участвуют в построении клеточных мембран, входя в состав структурных липидов.

При недостатке незаменимых жирных кислот снижается интенсивность роста сельскохозяйственных животных, угнетается их репродуктивная функ- ция, понижается сопротивляемость организмаинфекции.

Основной источник незаменимых жирных кислот для сельскохозяйст- венных животных – различные растительные продукты, входящие в со- став кормов. Однако, очень частов растительных кормах содержится мало липидов или они имеют неблагоприятный состав жирных кислот, что ухуд- шает питательную ценность кормов.

Опыты показывают, что наиболее перспективными промышленными продуцентами липидов, близкими по составу к растительным жирам и при- годными для использования в кормовых целях, являются дрожжи и мик- роскопические грибы, которые чаще всего накапливают внутриклеточные

123

липиды, однако известны виды, способные выделять липиды в культу- ральную жидкость.

В клетках этих микроорганизмов обычно содержится от 25 до 70% ли- пидов в расчете на сухую массу, которые на 40-90% представлены триа- цилглицеринами и на 5-50% - фосфолипидами. В них также много содер- жится стероидных веществ (1-1.5% на сухую массу), представленных главным образом эргостерином, из которого в организме животных обра- зуется витамин Д2.

Липидные компоненты дрожжей и микроскопических грибов имеют благоприятный состав жирных кислот, в них много содержится олеино- вой (20-50% от общего количества жирных кислот), линолевой (до 50%), линоленовой (до 17-19%) кислот.

Из-за образования в клетках микроорганизмов активных компонентов гидролитических ферментов они способны утилизировать в качестве ис- точников углерода различные субстраты – гидролизаты растительных от- ходов, послеспиртовую барду, молочную сыворотку, мелассу, отходы зер- ноперерабатывающей промышленности, углеводороды нефти, низкомо- лекулярные спирты (этанол, метанол).

В качестве источника азота в питательную среду добавляют дрожже- вой или кукурузный экстракт, соли аммония, мочевину, но при этом стро- го контролируют соотношение углерода и азота, т.к. при избытке азота снижается образование липидов в клетках микроорганизмов (оптимальное соотношение C: N = 320-400. Кроме источников углерода и азота в пита- тельную среду также добавляют Р, К, Mg, Zn, Fe, Mn, витамины группы В.

При выращивании продуцентов кормовых липидов поддерживается t0- 20-300, т.к. при более высокой температуре снижается выход липидов, а в липидах уменьшается доля полиненасыщенных жирных кислот. В про- цессе ферментации требуется поддерживать режим интенсивной аэрации, т.к. для окисления углеродных субстратов необходим кислород. Кислород также необходим для синтеза ненасыщенных жирныхкислот.

По окончании ферментации микробная масса отделяется от остатков субстрата и высушивается примерно по такой же технологии, как кормо- вые дрожжи. Для улучшения физических свойств к высущенному продук- ту добавляют отруби или кукурузную муку. Следует отметить, что липи- ды микроорганизмов могут быть использованы не только в кормопроиз- водстве, но и как заменитель растительных пищевых жиров, используе- мых на технические нужды (лакокрасочная, химическая промышленность),

124

т.к. примерно 20% от производимых в мире растительных жиров расходу- ется на технические, непищевые цели.

8.10.Ферментные препараты. Одним из важных направлений совре-

менной биотехнологии является получение на основе культивирования микроорганизмов и использование в сельском хозяйстве различных фер- ментных препаратов, которые могут применяться в процессе приготовле-

ния кормов для сельскохозяйственных животных как добавки к кормам в целях улучшения их усвояемости, а также в ветеринарии для профилакти- ки и лечения желудочных и паразитарных заболеваний.

Основной компонент кормов сельскохозяйственных животных – рас- тительная продукция (зерно, силос, грубые корма и др.) содержащая довольно много труднопереваримых веществ, - клетчатка, лигнин, геми- целлюлоза. Даже у жвачных животных, содержащих в преджелудке (руб- це) активные штаммы целлюлозоразлагающих микроорганизмов, клет- чатка переваривается на 40-65%. Не полностью перевариваются также растительные белки (60-80%), липиды (60-70%), крахмал (70-85%), пекти- новые вещества.

В целях улучшения переваримости и повышения эффективности ис- пользования растительных кормов в рационы сельскохозяйственных жи- вотных вводят ферментные препараты (0,1-1,5% от сухой массы корма), полученные из микроорганизмов и содержащие активные комплексы гид- ролитических ферментов.

Препараты микробных ферментов обычно получают из культур бак- терий или микроскопических грибов. Некоторые виды бактерий выделя- ют гидролитические ферменты в культуральную среду, поэтому их фер-

ментные препараты производят путем концентрирования и высушивания при определенных условиях (лиофилизацией) культуральной жидкости. Если источником ферментов являются микроскопические грибы, то фер-

ментный препарат готовят высушиванием поверхностной культуры этих микроорганизмов.

Каждый ферментный препарат обозначается определенным буквенным и цифровым индексом. Буква «Г» в названии препарата указывает на то, что он получен из культуральной жидкости при глубинном способе вы- ращивания микроорганизмов, тогда как буква «П» свидетельствует о том, что ферментный препарат получен из поверхностной культуры микроско- пических грибов. Индекс «2» в названии препарата показывает, что это концентрированный сироп, «3» – сухой ферментный препарат, «10» – очи- щенный ферментный препарат. Индекс «ПХ» обозначает, что фермент-

125

ный препарат представляет собой высушенную поверхностную культуру грибов.

Для значительного улучшения переваримости сочных и грубых кормов, богатые клетчаткой, пентозанами, пектиновыми веществами, которые медленно перевариваются микроорганизмами рубца в рационы крупного рогатого скота добавляют ферментные препараты пектофоетидин, амилосубтилин и глюкаваморин. При этом повышается общая продуктивность животных и существенно снижается расход кормов на единицу продукции (на 8-10%). В рационы свиней вводят ферментные препараты амилосубтилин, протосубтилин, амилоризин, глюкаваморин, протезим.

Особо важное значение имеет применение ферментных препаратов при кормлении молодняка сельскохозяйственных животных, т.к. у телят формирование рубца происходит лишь к 2-3 месячному возрасту, у поро- сят ферментные системы желудочно-кишечного тракта начинают нор- мальнофункционировать лишьв 3-4 мес. возрасте.

Пищеварительные железы птиц не образуют ферменты, катализиру- ющие гидролиз клетчатки и пектиновых веществ, а микрофлора кишеч- ника у них малочисленна, поэтому в их кормовые рационы добавляют ферментные препараты с целлюлолитической, пектолитической и протео- литической активностью.

Ферментные препараты используются также в кормопроизводстве ча- ще всего при силосовании бобовых трав, соломы, картофеля и приготов- лении соломоконцентратов. При этом обеспечивается частичный гидро- лиз полисахаридов – клетчатки, крахмала, пектиновых веществ, гемицел- люлоз. В результате повышается концентрация растворимых сахаров.

Ферментные препараты применяются в процессе получения заменителей цельного молока для молодняка крупного рогатого скота из кормовых дрожжей, которые подвергаются гидролизу.

Микробные ферментные препараты находят широкое применение в ветеринарии для лечения и диагностики многих заболеваний сельскохо- зяйственных животных и птиц. Например, ферменты, способные разру-

шать клеточную оболочку и обладающие лизирующим действием, используются в лечении бактериальных и других заболеваний (сальмонеллез и пуллороз у птиц, эндометриты у коров и др.). Для этих целей применяются ферментные препараты лизоцим, гликозидаза, лизосубтилин, мальтаваморин и другие. Амилосубтилин и протосубтилин используются для профилактики и лечения желудочных заболе-

126

ваний. Ферменты, содержащиеся в этих препаратах, вызывают также гидролиз оболочек яиц гельминтов.

Наряду с производством ферментных препаратов, выделяемых из микробных клеток, разработаны технологии получения биопрепаратов на основе живых микроорганизмов – симбионтов желудочно-кишечного тракта животных, которые в процессе своей жизнедеятельности синтези- руют различные ферменты, витамины, незаменимые аминокислоты, анти- биотики, вещества, обладающие гормональным действием, и таким обра- зом активно участвуют в процессах пищеварения и синтеза веществ, не образующихся в клетках животных, защите от микробной инфекции.

Эффективные микробные препараты, широко использующиеся в жи- вотноводстве, производятся на основе пропионовокислых (пропиовит) и ацидофильных (пропиацид) бактерий, а также азотобактерий (азотацид).

Пропиовит представляет собой порошок серовато-песчаного цвета, содержащий в 1 гр. препарата 4-6 млрд. бактерий и 80-100 мкг витамина В12, применяется для профилактики и лечения болезней желудочно- кишечноготракта у телят, поросят, цыплят. При его применении нормали- зуется рост и развитие молодняка сельскохозяйственных животных, по- вышается их устойчивость к инфекционным заболеваниям.

Пропиацид и азотацид – сухие препараты комбинированного дейст- вия, способствуют образованию в желудочно-кишечном тракте животных уравновешенных биоценозов, особенно они эффективны против дисбак- териозов.

Важной задачей ученых и специалистов, работающих в области сель- скохозяйственной биотехнологии, является создание и внедрение в при- родные экосистемы желудочно-кишечного тракта животных высокоак- тивных штаммов микроорганизмов, способных к лучшему переварива- нию целлюлозы и других углеводов, растительных белков и липидов, сверхсинтезу незаменимых аминокислот и витаминов. Создание высоко- активных штаммов микроорганизмов проводится как обычными метода- ми генетики и селекции, так и с использованием мутагенеза и клонирова- ния генов.

Контрольные вопросы:

1.Какова биологическая ценность белков животного и растительного происхождения?

2.Как балансируют корма для сельскохозяйственных животных по количеству белков и незаменимыхаминокислот?

127

3.Каковы основные пути улучшения биологической питательной ценности кормовых белков?

4.Какие разработаны биотехнологии получения кормовых белковых препаратов из дрожжей?

5.В чем заключаются особенности производства белковых концентратов из бактерий?

6.Как получают кормовые белки из водорослей?

7.Как получают кормовые белки измикроскопических грибов?

8.Какие известны технологии получения высокобелковых кормов из вегетативной массы растений?

9.Каковы питательные свойства кормовых белковых концентратов из дрожжей, бактерий, водорослей, микроскопических грибов, вегетативной массы растений и особенности их применения в кормопроизводстве?

10.В чем преимущество микробиологического получения кормовых препаратов незаменимых аминокислот и витаминов по сравнению с их химическим синтезом?

11.Какие технологии применяются для промышленного получения кормовых препаратов лизина и триптофана?

12.Какие биотехнологические принципы положены в основу получения биопрепаратов, обогащенных витаминами В2 и В12. 13.Каковы основные пути улучшения кормов по содержанию полноценных липидов?

14.В чем особенности биотехнологии получения кормовых липидных препаратов?

15.Какие ферментные препараты используются при кормлении различных групп сельскохозяйственных животных с целью улучшения переваримостикормов?

16.В чем заключается биологическое действие ферментных и микробных препаратов, используемых вживотноводстве?

ГЛАВА9.БИОТЕХНОЛОГИЯ ИБИОБЕЗОПАСНОСТЬ

9.1.Понятия о безопасности и биобезопасности. Биотехнология и ее фундаментальное ядро – биоинженерия, затрагивают коренные механиз- мы формирования важнейших свойств живых организмов – наследствен- ность, изменчивость, энерго – и массообмен, адаптацию и устойчивость, продуктивность и качество. Искусственное вмешательство в генетические структуры, их модификация в целях совершенствования биологических

128

объектов вызывают структурные и функциональные перестройки, послед- ствия которых не всегда могут быть точно и своевременно спрогнозиро- ваны, что вызывает серьезное беспокойство людей во многих странах За- падной Европы и мира, в т.ч. и в России.

Природные, техногенные и другие факторы оказывают постоянное и значительное воздействие на человека и среду его обитания. Эти воздей- ствия могут быть положительными и отрицательными. Наука, общество,

государство должны разрабатывать и эффективно использовать системы мер по защите человека и окружающей среды от вредных воздействий любых опасных факторов. Жизнь человека и общества, существование и

деятельность государства должны быть надежно защищены от любых внутренних и внешних воздействий. Отсюда вытекает общее понятие о безопасности человека, общества, государства, цивилизации, под которым понимается устойчивое состояние защищенности жизненно важных инте- ресов личности и самой жизни человека, общества и государства от внеш- нихи внутренних угроз.

Главнейшим объектом безопасности является человек. Безопасность

человека не может быть обеспечена без защиты среды его обитания и жизнедеятельности, без защиты общества, в котором он живет. Одним из

основных принципов безопасности является взаимная ответственность человека, общества и государства. Безопасность может быть биологиче- ской, экологической, экономической, продовольственной, военной и др.

Под биобезопасностью понимается защищенность человека, общест- ва, цивилизации и окружающей среды от вредного воздействия, опасного

для жизни и здоровья людей токсичных и аллергенных биологических веществ и соединений, содержащихся в природных или генно-инженерно- модифицированных биологических объектах и полученных из них про- дуктах. Биологически опасные организмы и их продукты представляют собой угрозу для существования не только человека, но и для растений, животных и полезных микроорганизмов, вызывая различную степень их поражения или гибель, лишая человека продовольственных и других ис- точников и возможностей существования.

Проблемы биобезопасности существуют в мире давно, т.к. и в приро- де, и в производстве различных, необходимых человеку и обществу веще- ствах – продуктах питания, гигиены, лекарствах и других нередко встре- чаются и продукты, содержащие опасные для здоровья и жизни человека соединения.

129

Во всех государствах мира разработаны различные методы контроля за технологическими процессами и качеством вновь вовлеченных в сферу использования человеком новых биологических объектов и веществ, их токсичностью, аллергенностью и общей безопасностью для здоровья лю- дей и состояния окружающей среды.

Большую опасность для здоровья и жизни людей представляют ядо- витые грибы. Самым опасным и трагичным остается алкогольная токси- кация людей. Равной ей помасштабы опасности для здоровья и жизни лю- дей может быть только вооруженный или химический геноцид. Над про- блемой алкогольной безопасности работают во всем мире. Но эффектив- ных результатов пока не достигнуто. Самой опасной для нынешних и бу- дущих поколений является наркомания. Наркотики всех видов парализу- ют волю людей, разрушают их как личности и являются причиной гибели. Общество стоит перед опасностью наркотического автогеноцида.

Вклеточных технологиях используется спонтанный и направленный мутагенез, получение клеток с измененной наследственностью. Это глав- ная причина генетической гетерогенности клеток, полученных из одного и того же генотипа. Поэтому в клеточной биотехнологии необходим посто- янный мониторинг за спектором соматической вариабельности, появлени- ем мутантов с положительными и отрицательными свойствами.

Вбольшинстве случаев соматическая вариабельность не выходит за пределы положительных или иных доброкачественных изменений и по- зволяет получать исходный материал для селекции растений с улучшен-

ными или исходными свойствами в границах обеспечения биобезопасно- сти.

Главная задача биотехнологов – получение комплексно устойчивых ге- нотипов сельскохозяйственных растений и животных. Распространение

неустойчивых к вредным организмам и абиотическим фактором среды сортов и гибридов сельскохозяйственных растений и животных может привести к большим экономическим потерям. В этой связи лабораторный и производственный контроль за полученными клеточными регенеранта- ми является крайне важным.

Технология получения продуктов вторичного метаболизма в биореак- торах на основе культуры клеток и суспензий позволяет непрерывно, ав- томатически контролировать и своевременно выявлять возможные откло- нения от нормы основных ее параметров и качества получаемой продук- ции, не допускать опасных отклонений в любом звене технологического процесса.

130