Динамика экстракции минералов из кормового субстрата in vitro при внесении в реакционную среду рубцового содержимого низкомолекулярных добавок

Запрет на применение антибиотиков в терапевтических целях побуждает к поиску высокоэффективных альтернатив, одной из которых являются фитобиотики. Однако перед масштабным внедрением их в практику необходимо проводить детальную оценку воздействия на различные аспекты жизнедеятельности.

Цель работы — изучение динамики элементного профиля рубца жвачных in vitro при внесении в корм ванилина, транскоричного альдегида, дигидроксикверцетина и 7-гидроксикумарина. Исследование проводилось на одноквадрупольном масс-спектрометре с индуктивно связанной плазмой Agilent 7900 ICP-MS (Agilent, США). Анализ таких элементов, как Cr, Fe и Zn, осуществляли в гелиевом режиме с использованием столкновительной ячейки. В ходе работы установлено, что ванилин в концентрации от 1,225 × 10^-4 до 4,900 × 10^-4 моль/л снижает накопление меди, кобальта и свинца, стимулируя извлечение марганца, железа, алюминия и бария. Кверцетин и коричный альдегид, напротив, подавляют экстракцию почти всех исследованных элементов. Кумарин же в большей степени способствует извлечению минералов из целлюлозной матрицы растительных компонентов корма, за исключением меди, кобальта и цинка. При этом лучший эффект обнаруживает комбинация кверцетина и ванилина в концентрациях 2,450 × 10^-4 и 1,225 × 10^-4 моль/л соответственно. Все изученные вещества демонстрируют потенциал для коррекции гипо- и гиперэлементозов различной направленности.

1. Han D. et al. Application and substitution of antibiotics in animal feeding. Medycyna Weterynaryjna. 2024; 80(1): 5–11. https://doi.org/10.21521/mw.6830

2. Meek R.W., Vyas H., Piddock L.J.V. Nonmedical Uses of Antibiotics: Time to Restrict Their Use?. PLoS Biology. 2015; 13(10): e1002266. https://doi.org/10.1371/journal.pbio.1002266

3. Oliveira N.A., Gonçalves B.L., Lee S.H., Oliveira C.A.F., Corassin C.H. Use of Antibiotics in Animal Production and its Impact on Human Health. Journal of Food Chemistry and Nanotechnology. 2020; 6(1): 40–47. https://doi.org/10.17756/jfcn.2020-082

4. Шошин Д.Е., Сизова Е.А., Камирова А.М. Бактериальная люминесценция марганец- и кобальтсодержащих ультрадисперсных частиц (Mn2O3 и Co3O4) в рубцовой жидкости. Сельскохозяйственная биология. 2023; 58(6): 1122–1136. https://doi.org/10.15389/agrobiology.2023.6.1122rus

5. Ebeid T. et al. Impact of probiotics and/or organic acids supplementation on growth performance, microbiota, antioxidative status, and immune response of broilers. Italian Journal of Animal Science. 2021; 20(1): 2263–2273. https://doi.org/10.1080/1828051X.2021.2012092

6. Shoshin D.E., Sizova E.A., Kamirova A.M. Morphological changes and luminescence of Escherichia coli in contact with Mn2O3 and Co3O4 ultrafine particles as components of a mineral feed additive. Veterinary World. 2024; 17(8): 1880–1888. https://doi.org/10.14202/vetworld.2024.1880-1888

7. Mba I.E., Nweze E.I. Nanoparticles as therapeutic options for treating multidrug-resistant bacteria: research progress, challenges, and prospects. World Journal of Microbiology and Biotechnology. 2021; 37: 108. https://doi.org/10.1007/s11274-021-03070-x

8. Сизова Е.А., Нечитайло К.С., Лебедев С.В. Фитобиотики как потенциальные регуляторы функциональной активности микробиома кишечника у цыплят-бройлеров (мини-обзор). Сельскохозяйственная биология. 2022; 57(6): 1071–1082. https://doi.org/10.15389/agrobiology.2022.6.1071rus

9. Urban J. et al. Enhancing broiler chicken health and performance: the impact of phytobiotics on growth, gut microbiota, antioxidants, and immunity. Phytochemistry Reviews. 2024. https://doi.org/10.1007/s11101-024-09994-0

10. Шейда Е.В., Рязанов В.А., Дускаев Г.К., Рахматуллин Ш.Г., Кван О.В. Влияние Artemisiae absinthil herba и Inulae rhizomata et radices на процессы ферментации и метаногенез в рубце молодняка крупного рогатого скота. Аграрная наука. 2023; (3): 46–51. https://doi.org/10.32634/0869-8155-2023-368-3-46-51

11. Mohammadi Gheisar M., Kim I.H. Phytobiotics in poultry and swine nutrition (a review). Italian Journal of Animal Science. 2018; 17(1): 92–99. https://doi.org/10.1080/1828051X.2017.1350120

12. Багно О.А., Прохоров О.Н., Шевченко С.А., Шевченко А.И., Дядичкина Т.В. Фитобиотики в кормлении сельскохозяйственных животных (обзор). Сельскохозяйственная биология. 2018; 53(4): 687–697. https://doi.org/10.15389/agrobiology.2018.4.687rus

13. Рязанов В.А., Курилкина М.Я., Дускаев Г.К., Габидулин В.М. Фитобиотики как альтернатива антибиотикам в животноводстве. Животноводство и кормопроизводство. 2021; 104(4): 108–123. https://doi.org/10.33284/2658-3135-104-4-108

14. Zaikina A.S., Buryakov N.P., Buryakova M.A., Zagarin A.Yu., Razhev A.A., Aleshin D.E. Impact of Supplementing Phytobiotics as a Substitute for Antibiotics in Broiler Chicken Feed on Growth Performance, Nutrient Digestibility, and Biochemical Parameters. Veterinary Sciences. 2022; 9(12): 672. https://doi.org/10.3390/vetsci9120672

15. Atlanderova K., Shoshin D., Kazaev K. Amino acid status and nitrogen forms of rumen contents in vitro when phytogenic components are added to the reaction medium. E3S Web of Conferences. 2024; 548: 02006. https://doi.org/10.1051/e3sconf/202454802006

16. Bhalakiya N., Haque N., Patel P., Joshi P. Role of Trace Minerals in Animal Production and Reproduction. International Journal of Livestock Research. 2019; 9(9): 1–12.

17. Mousavi Khaneghah A., Fakhri Y., Nematollahi A., Pirhadi M. Potentially toxic elements (PTEs) in cereal-based foods: A systematic review and meta-analysis. Trends in Food Science & Technology. 2020; 96: 30–44. https://doi.org/10.1016/j.tifs.2019.12.007

18. Arya S.S., Rookes J.E., Cahill D.M., Lenka S.K. Vanillin: a review on the therapeutic prospects of a popular flavouring molecule. Advances in Traditional Medicine. 2021; 21(3): 415–432. https://doi.org/10.1007/s13596-020-00531-w

19. Salehi B. et al. Therapeutic Potential of Quercetin: New Insights and Perspectives for Human Health. ACS Omega. 2020; 5(20): 11849–11872. https://doi.org/10.1021/acsomega.0c01818

20. Błaszczyk N., Rosiak A., Kałużna-Czaplińska J. The Potential Role of Cinnamon in Human Health. Forests. 2021; 12(5): 648. https://doi.org/10.3390/f12050648

21. Garg S.S., Gupta J., Sharma S., Sahu D. An insight into the therapeutic applications of coumarin compounds and their mechanisms of action. European Journal of Pharmaceutical Sciences. 2020; 152: 105424. https://doi.org/10.1016/j.ejps.2020.105424

22. Шошин Д.Е., Атландерова К.Н., Дускаев Г.К., Сизова Е.А. Малые молекулы в тесте ингибирования бактериальной люминесценции. Siberian Journal of Life Sciences and Agriculture. 2023; 15(4): 29–55. https://doi.org/10.12731/2658-6649-2023-15-4-29-55

23. Власенко Л.В., Атландерова К.Н., Дускаев Г.К., Шошин Д.Е. Влияние фитохимических веществ на сигнальные молекулы системы Quorum Sensing у бактерий. Международный вестник ветеринарии. 2023; (2): 25–31. https://doi.org/10.52419/issn2072-2419.2023.2.25

24. Hua D., Hendriks W.H., Xiong B., Pellikaan W.F. Starch and Cellulose Degradation in the Rumen and Applications of Metagenomics on Ruminal Microorganisms. Animals. 2022; 12(21): 3020. https://doi.org/10.3390/ani12213020

25. Fraga M., Fernández S., Perelmuter K., Pomiés N., Cajarville C., Zunino P. The use of Prevotella bryantii 3C5 for modulation of the ruminal environment in an ovine model. Brazilian Journal of Microbiology. 2018; 49(S1): 101–106. https://doi.org/10.1016/j.bjm.2018.07.004

26. Rodríguez Hernáez J. et al. The first complete genomic structure of Butyrivibrio fibrisolvens and its chromid. Microbial Genomics. 2018; 4(10): e000216. https://doi.org/10.1099/mgen.0.000216

27. Ward B.K., Dufault R.J., Hassell R., Cutulle M.A. Upscaled Bioammonium/Ammonia Production by Clostridium Aminophilum Cultured with Soy Protein Isolate. Journal of Agricultural and Food Chemistry. 2017; 65(14): 2930–2935. https://doi.org/10.1021/acs.jafc.7b00113

28. Liu Y., Kong D., Wu H.-L., Ling H.-Q. Iron in plant–pathogen interactions. Journal of Experimental Botany. 2021; 72(6): 2114–2124. https://doi.org/10.1093/jxb/eraa516

29. Hilal E.Y., Elkhairey M.A.E., Osman A.O.A. The Role of Zinc, Manganse and Copper in Rumen Metabolism and Immune Function: A Review Article. Open Journal of Animal Sciences. 2016; 6(4): 304–324. https://doi.org/10.4236/ojas.2016.64035

30. Schlattl M., Buffler M., Windisch W. Clay Minerals Affect the Solubility of Zn and Other Bivalent Cations in the Digestive Tract of Ruminants In Vitro. Animals. 2021; 11(3): 877. https://doi.org/10.3390/ani11030877

31. Tsang T., Davis C.I., Brady D.C. Copper biology. Current Biology. 2021; 31(9): R421–R427. https://doi.org/10.1016/j.cub.2021.03.054

32. De Baaij J.H.F., Hoenderop J.G.J., Bindels R.J.M. Magnesium in Man: Implications for Health and Disease. Physiological Reviews. 2015; 95(1): 1–46. https://doi.org/10.1152/physrev.00012.2014

33. Palmer B.F., Clegg D.J. Physiology and pathophysiology of potassium homeostasis. Advances in Physiology Education. 2016; 40(4): 480–490. https://doi.org/10.1152/advan.00121.2016

34. Hu X., Wei X., Ling J., Chen J. Cobalt: An Essential Micronutrient for Plant Growth?. Frontiers in Plant Science. 2021; 12: 768523. https://doi.org/10.3389/fpls.2021.768523

35. Alvino L., Pacheco-Herrero M., López-Lorente Á.I., Quiñones Z., Cárdenas S., González-Sánchez Z.I. Toxicity evaluation of barium ferrite nanoparticles in bacteria, yeast and nematode. Chemosphere. 2020; 254: 126786. https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2020.126786

36. Assi M.A., Hezmee M.N.M., Haron A.W., Sabri M.Y.M., Rajion M.A. The detrimental effects of lead on human and animal health. Veterinary World. 2016; 9(6): 660–671. https://doi.org/10.14202/vetworld.2016.660-671

37. Tahir I., Alkheraije K.A. A review of important heavy metals toxicity with special emphasis on nephrotoxicity and its management in cattle. Frontiers in Veterinary Science. 2023; 10: 1149720. https://doi.org/10.3389/fvets.2023.1149720

38. Mezzaroba L., Alfieri D.F., Simão A.N.C., Reiche E.M.V. The role of zinc, copper, manganese and iron in neurodegenerative diseases. NeuroToxicology. 2019; 74: 230–241. https://doi.org/10.1016/j.neuro.2019.07.007

39. Li L., Yang X. The Essential Element Manganese, Oxidative Stress, and Metabolic Diseases: Links and Interactions. Oxidative Medicine and Cellular Longevity. 2018; 1: 7580707. https://doi.org/10.1155/2018/7580707

40. Bosma E.F., Rau M.H., van Gijtenbeek L.A., Siedler S. Regulation and distinct physiological roles of manganese in bacteria. FEMS Microbiology Reviews. 2021; 45(6): fuab028. https://doi.org/10.1093/femsre/fuab028

41. Ellis J.L. et al. The effect of lactic acid bacteria included as a probiotic or silage inoculant on in vitro rumen digestibility, total gas and methane production. Animal Feed Science and Technology. 2016; 211: 61–74. https://doi.org/10.1016/j.anifeedsci.2015.10.016

42. Vigh A., Criste A., Gragnic K., Moquet L., Gerard C. Ruminal Solubility and Bioavailability of Inorganic Trace Mineral Sources and Effects on Fermentation Activity Measured in Vitro. Agriculture. 2023; 13(4): 879. https://doi.org/10.3390/agriculture13040879

43. Baj J. et al. Consequences of Disturbing Manganese Homeostasis. International Journal of Molecular Sciences. 2023; 24(19): 14959. https://doi.org/10.3390/ijms241914959

44. Wysocka D., Snarska A., Sobiech P. Iron in cattle health. Journal of Elementology. 2020; 25(3): 1175–1185. https://doi.org/10.5601/jelem.2020.25.2.1960

45. Puig S., Ramos-Alonso L., Romero A.M., Martínez-Pastor M.T. The elemental role of iron in DNA synthesis and repair. Metallomics. 2017; 9(11): 1483–1500. https://doi.org/10.1039/c7mt00116a

46. Díaz-Tocados J.M. et al. Effect of a calcium-rich diet on mineral and bone metabolism in rats. Revista de Osteoporosis y Metabolismo Mineral. 2022; 14(1): 48–54. https://doi.org/10.4321/S1889-836X2022000100006

47. Wilkens M.R., Nelson C.D., Hernandez L.L., McArt J.A.A. Symposium review: Transition cow calcium homeostasis — Health effects of hypocalcemia and strategies for prevention. Journal of Dairy Science. 2020; 103(3): 2909–2927. https://doi.org/10.3168/jds.2019-17268

48. Matikainen N., Pekkarinen T., Ryhänen E.M., Schalin-Jäntti C. Physiology of Calcium Homeostasis: An Overview. Endocrinology and Metabolism Clinics of North America. 2021; 50(4): 575–590. https://doi.org/10.1016/j.ecl.2021.07.005

49. Al-Fartusie F.S., Mohssan S.N. Essential Trace Elements and Their Vital Roles in Human Body. Indian Journal of Advances in Chemical Science. 2017; 5(3): 127–136.

50. Alfano M., Cavazza C. Structure, function, and biosynthesis of nickel‐dependent enzymes. Protein Science. 2020; 29(5): 1071–1089. https://doi.org/10.1002/pro.3836

51. Wang Y., Jiang M., Zhang Z., Sun H. Effects of over-load iron on nutrient digestibility, haemato-biochemistry, rumen fermentation and bacterial communities in sheep. Journal of Animal Physiology and Animal Nutrition. 2020; 104(1): 32–43. https://doi.org/10.1111/jpn.13225

52. Nguyen T.L.A., Bhattacharya D. Antimicrobial Activity of Quercetin: An Approach to Its Mechanistic Principle. Molecules. 2022; 27(8): 2494. https://doi.org/10.3390/molecules27082494

53. Shamsudin N.F. et al. Antibacterial Effects of Flavonoids and Their Structure-Activity Relationship Study: A Comparative Interpretation. Molecules. 2022; 27(4): 1149. https://doi.org/10.3390/molecules27041149

54. Kim D., Kuppusamy P., Jung J.S., Kim K.H., Choi K.C. Microbial Dynamics and In Vitro Degradation of Plant Secondary Metabolites in Hanwoo Steer Rumen Fluids. Animals. 2021; 11(8): 2350. https://doi.org/10.3390/ani11082350

55. Phale P.S., Malhotra H., Shah B.A. Degradation strategies and associated regulatory mechanisms/features for aromatic compound metabolism in bacteria. Advances in Applied Microbiology. 2020; 112: 1–65. https://doi.org/10.1016/bs.aambs.2020.02.002

56. Vasconcelos N.G., Croda J., Simionatto S. Antibacterial mechanisms of cinnamon and its constituents: A review. Microbial Pathogenesis. 2018; 120: 198–203. https://doi.org/10.1016/j.micpath.2018.04.036

57. Lai T., Sun Y., Liu Y., Li R., Chen Y., Zhou T. Cinnamon Oil Inhibits Penicillium expansum Growth by Disturbing the Carbohydrate Metabolic Process. Journal of Fungi. 2021; 7(2): 123. https://doi.org/10.3390/jof7020123

58. Slikkerveer A., de Wolff F.A. Toxicity of Bismuth and Its Compounds. Chang L.W. (ed.). Toxicology of Metals. Boca Raton: CRC Press. 1996; 1: 439–454. https://doi.org/10.1201/9781003418917-39

59. Zhao Z. et al. Pathway for biodegrading coumarin by a newly isolated Pseudomonas sp. USTB-Z. World Journal of Microbiology and Biotechnology. 2021; 37: 89. https://doi.org/10.1007/s11274-021-03055-w

60. Атландерова К.Н., Власенко Л.В., Дускаев Г.К. Оценка действия «Биовита» и коричного альдегида на степень переваримости корма и микробиом рубца крупного рогатого скота. Труды Кубанского государственного аграрного университета. 2024; 112: 201–207. https://elibrary.ru/enbrhl

61. Власенко Л.В., Атландерова К.Н., Дускаев Г.К. Анализ микробиома рубца крупного рогатого скота и степени переваримости корма под действием умбеллиферона. Ветеринария и кормление. 2024; (5): 19–21. https://doi.org/10.30917/ATT-VK-1814-9588-2024-5-4