Przydatność jonoforów u krów mlecznych w okresie laktacji.
Ignacio R. Ipharraguerre, Jimmy H. Clark
Abstrakt
W ostatnich latach jonofory (IOP) dopuszczone zostały do użytku dla krów mlecznych w okresie laktacji w kilku krajach świata jako poprawiające produkcję mleka i odpowiedź immunologiczną. Obecnie używanie IOP nie jest dozwolone w USA i aby to zmienić prowadzi się w ostatnich latach dodatkowe badania, w których zwraca się uwagę na ich wpływ na produkcję mleka, status zdrowotny i reprodukcję. W żwaczu IOP hamuje wzrost bakterii G ”+”, co zmienia później fermentację żwaczową powodując wzrost ilości energii i wzrost przyswajania azotu przez krowy. Podawany w zalecanych dawkach IOP nie wpływał lub nieznacznie zmniejszał ilość pobieranej paszy. Poprzez wpływ na fermentację jonofory zwiększają przyswajanie składników pokarmowych, szczególnie kwasu propionowego. W rezultacie bilans energetyczny jest lepszy, co zwiększa produkcję mleka i ma pozytywny wpływ na odpowiedź immunologiczną. Wpływ na to ma jednak kilka czynników, a część z nich jest słabo poznanych. Bazując na dostępnych wynikach badań polepszony bilans energii i jego główny wpływ na zdrowie i produkcję mleka są powodowane podawaniem IOP. Jonofory są szczególnie użyteczne u krów w dobrej kondycji i otłuszczonych. Wprowadzenie efektywnej strategii, które maksymalnie zwiększy dochód ekonomiczny będzie jednak zależeć od lepszego zrozumienia efektów działania IOP na metabolizm i zdrowie krów.
Wprowadzenie.
W 1968 r. termin IOP został użyty po raz pierwszy do określenia związków karboksylowych mieszczących się w klasycznej definicji antybiotyków. Te naturalnie pojawiające sięzwiazki, które są produktami fermentacji niektórych Actinomycetes były pierwotnie stosowane jako kokcydiostatyki dla drobiu. Od połowy lat 70-tych IOP używano do manipulowania fermentacją żwacza w celu poprawy efektywności przyswajania karmy i lepszych przyrostów wagowych u rosnących przeżuwaczy. Przykłady IOP używanych powszechnie u przeżuwaczy to monenzyna, lasalocid, tetronazyna, salinomycyna, lysocellin, norazyna, nigerycyna, laidlomycyna i walinomycyna. Na początku lat 80-tych IOP został dopuszczony w niektórych krajach do użytku u krów w czasie laktacji w celu zwiększenia produkcji mleka i polepszenia odpowiedzi immunologicznej oraz jako środek pomocniczy w zapobieganiu subklinicznej ketozie bydła. W 1999 r. UE zakazała używania niektórych antybiotyków m.in. bacytracyny, spiromycyny, tylozyny i virginiamycyny w celach polepszenia wzrostu. Zakaz ten nie dotyczy jednak użycia wcześniej wymienionych IOP jako dodatków paszowych, tym bardziej, że jak wykazały dane naukowe mięso i mleko od zwierząt, którym podawano IOP są bezpieczne dla konsumentów. Przy dawkach efektywnych nie są one wykrywane w mleku. Monenzyna ulega biodegradacji w nawozie i glebie i nie jest toksyczna dla roślin uprawnych. Do dzisiaj nie ma jednak określonego poziomu progowego dla IOP u krów mlecznych w USA, badania nad tym nadal trwają.
Celem tego artykułu jest przegląd obecnych danych na temat wpływu IOP na produkcję mleka, stan zdrowia i rozród krów mlecznych. Pod uwagę brane są czynniki żywieniowe, fizjologiczne i biochemiczne, które modulują odpowiedź krów na IOP i wskażą obszary, gdzie są konieczne dodatkowe badania.
Mechanizm działania.
IOP są lipofilnymi związkami toksycznymi dla wielu bakterii, pierwotniaków, grzybów i organizmów wyższych. Ich toksyczność rośnie wraz z ich zdolnością do przenikania wewnątrz błon biologicznych, gdzie zmieniają przepływ jonów z i do komórki. Wynika to z tworzenia cyklicznych kompleksów jon - IOP, które funkcjonują jako mobilne, jonowo selektywne przenośniki (np. monenzyna, lasalocid) lub z tworzenia porów, przez które odbywa się mniej specyficzny wypływ lub napływ jonów. Jako dodatki żywieniowe wykorzystywane są jedynie IOP w formie mobilnych przenośników wymieniających różne jony, w każdym jednak przypadku konsekwencje ekspozycji komórek bakteryjnych na działanie IOP są podobne. Jeśli IOP wywoła zmiany w przepływie jonów, aktywność ATP-azy bakteryjnej wzrośnie znacząco aby utrzymać równowagę jonową i pH wewnątrz komórki. W rezultacie nakład energii na utrzymanie funkcjonowania wzrośnie. To zużywanie energii do celów innych niż wzrost doprowadza do punktu, w którym komórki bakteryjne są praktycznie pozbawione ATP, co naraża je na brak wzrostu i reprodukcji. Szkodliwość tych efektów jest zależna od wrażliwości bakterii na IOP, co zależy z kolei od przepuszczalności ich błon komórkowych dla makromolekuł. Bakterie G „+” mają mniej kompleksów błonowych niż G „-”, które mają prawie nieprzepuszczalne błony zewnętrzne, co czyni je bardziej podatnymi na efekt antybiotykowy IOP.
Żwacz jest beztlenowym ekosystemem, w którym mikroorganizmy fermentują węglowodany i białka by zyskać energię i składniki pokarmowe niezbędne dla wzrostu. Niektóre z końcowych produktów fermentacji żwaczowej, jak lotne kwasy tłuszczowe i białka mikroorganizmów, są głównymi źródłami składników pokarmowych dla krów. Dla odmiany inne końcowe produkty fermentacji jak ciepło, metan, amoniak są uznawane jako straty energii i białek do środowiska. Występujące w żwaczu G „+” bakterie są zaangażowane w procesy fermentacyjne prowadzące do powstania m.in. kwasu octowego, masłowego, mlekowego, wodoru i amoniaku. Większość z tych procesów fermentacyjnych wiąże się z produkcją metanu. Z drugiej strony żwaczowe G „-” bakterie są zaangażowane w procesy fermentacyjne związane z produkcją kwasu propionowego. Kiedy ta grupa bakterii przeważa w żwaczu produkowane jest mniej metanu, dlatego główną korzyścią z podawania IOP u krów jest potencjalna zmiana stosunku kwasu octowego do propionowego na korzyść kw. propionowego i związane z tym obniżenie wytwarzania metanu. Dodatkowo wrażliwe na IOP są bakterie produkujące kw. mlekowy. Bakterie te nie rozkładają tego kwasu, a nadmierna produkcja kwasu mlekowego w żwaczu jest związana ze zwiększonym ryzykiem wystąpienia kwasicy żwacza, dlatego IOP jest szczególnie korzystny u krów z wysokim ryzykiem chorób metabolicznych. Kolejną zaletą dodawania IOP do diety u bydła mlecznego jest zmniejszona aktywność bakterii proteolitycznych. W konsekwencji zawartość amoniaku w żwaczu może spadać. W rezultacie oczekuje się, że więcej białek i aminokwasów przedostanie się do jelita cienkiego, gdzie są absorbowane. Wśród nich mniejszy jest udział białek bakteryjnych trzeba więc jednocześnie zwiększyć ilość dobrej jakości białek w diecie.
Działanie IOP u krów mlecznych.
Efekt antyketogenny IOP.
W okresie okołoporodowym u krów ogromnie zwiększa się zapotrzebowanie na energię i glukozę, co wynika z szybkiego wzrostu płodu i tkanek krowy oraz rozpoczęcia produkcji mleka. To wzrastające zapotrzebowanie na glukozę jest w większości zaspokajane przez glukoneogenezę wątrobową, która pokrywa je w ok. 70 %. Głównym prekursorem pobieranym przez wątrobę jest kwas propionowy. Ważnymi substratami są także aminokwasy i kwas mlekowy z absorpcji żołądkowo - jelitowej i źródeł endogennych. Jednakże w początkowym okresie laktacji przyswajanie suchej masy jest niższe niż ilość wymagana do zaspokojenia wymagań żywieniowych przy produkcji mleka, co może powodować ujemny bilans energetyczny. Aby poradzić sobie z tym deficytem energii w pierwszym rzędzie mobilizowane są z zapasów tłuszczu i utleniane przez wątrobę długołańcuchowe kwasy tłuszczowe. Jeśli mobilizacja ich jest nadmierna to pojawić się może zaburzenie tych mechanizmów adaptacyjnych objawiające się obecnością niezestryfikowanych kwasów tłuszczowych i wzrostem ciał ketonowych we krwi, co wiąże się ze zmniejszeniem przyswajania suchej masy, spadkiem produkcji mleka i obniżeniem odpowiedzi immunologicznej.
Bazując na zdolności IOP do zwiększenia rezerw prekursorów glukoneogenezy uważa się, że podawanie IOP zwiększa syntezę glukozy w wątrobie i w ten sposób poprawia bilans energii u krów w okresie laktacji. Poziom glukozy we krwi krów, którym podawano IOP był podniesiony lub bez zmian, jednak znaczny jego wzrost odnotowano tylko u 4 z 13 krów. Odpowiedź na podawanie IOP była satysfakcjonująca, kiedy krowy dostawały monenzynę przynajmniej przez 6 tyg. przed porodem lub w czasie pierwszych 2 tyg. laktacji. Sugeruje się, że w czasie późnej ciąży może ona powodować wzrost glikogenu bez wpływu na poziom glukozy we krwi, poprzez uwalnianie insuliny i w związku z tym lepszy rozdział glukozy do tkanek, np. płodu. Podobnie IOP spowodować może wzrost dostępności glukozy podczas wczesnej laktacji, ale mechanizmy homeostazy dają pierwszeństwo w użyciu glukozy gruczołowi mlecznemu i utrzymują poziom glukozy we krwi na relatywnie stałym poziomie.
Podawanie IOP krowom powodowało redukcję ilości krążących ciał ketonowych we krwi.
W literaturze podaje się kilka teorii wyjaśniających antyketogenny wpływ IOP.
Najpowszechniej akceptowaną teorią jest wzrost produkcji kwasu propionowego w żwaczu, co wpływa na wzrost zapasów tego substratu glukoneogenezy dla wątroby. Wzrost ilości krążącej glukozy może powodować sekrecję insuliny, która może redukować mobilizację tłuszczów przez zmniejszenie zużycia niezestryfikowanych kwasów tłuszczowych przez wątrobę. Zmniejszona ilość tych kwasów tłuszczowych w połączeniu z większą dostępnością kwasu propionowego i uwolnieniem insuliny może obniżać wnikanie kw. tłuszczowych do wątroby i w konsekwencji obniżać ketogenezę. Dodatkowo zmniejszona produkcja kw. masłowego w żwaczu spowodowana przez IOP mogła również spowodować obniżenie przemiany kw. masłowego w β-hydroksymasłowy przez nabłonek żwacza i przez to obniżyć wnikanie kw. β-hydroksymasłowego do krążenia. Wyższy poziom glukozy u krów traktowanych IOP może być też spowodowany większą strawnością składników odżywczych pokarmu w jelicie cienkim, co wpływa na bardziej wydajne wykorzystanie dostaw glukozy egzogennej.
Wyniki działania IOP u krów mlecznych.
W ostatnich latach odnotowuje się wzmożone zainteresowanie działaniem IOP u krów. Prowadzono wiele badań, których wyniki były różne. Podawanie IOP u krów mlecznych albo nie powodowało efektów albo wzmagało produkcję mleka. W grupie badań, w których otrzymano odpowiedź pozytywną w postaci wzrostu produkcji mleka monenzyna była podawana w dawkach od 80 do 350 mg/dzień/zwierzę. Wykazano także, że stopień przydatności IOP zależy od kondycji krów - u krów chudych nie wykazuje znaczącego działania a u krów dobrze odżywionych i otłuszczonych znacznie podnosi produkcję mleka.
Podawanie IOP krowom mlecznym znacznie zmniejsza jednak zawartość tłuszczu w mleku. Występowanie tego negatywnego efektu wydaje się być niezależne od okresu laktacji, kondycji zwierzęcia i typu diety, może być jednak przynajmniej częściowo modulowane przez zmiany dawki IOP. Efekt ten często przypisywany jest zmniejszonej produkcji kw. octowego i masłowego w żwaczu, co może powodować niedobór prekursorów lipogenezy koniecznych do syntezy tłuszczów w gruczole mlekowym. Ostatnio przeprowadzone badania in vitro sugerują jednak, że negatywny efekt IOP na zawartość tłuszczu w mleku może być poprawiony jeśli IOP skarmiany jest wraz z roślinami zawierającymi dużo nienasyconych kw. tłuszczowych. Hipoteza ta nie została jednak poparta badaniami in vivo.
Większość eksperymentów wykazała, że u krów, którym podawano IOP zawartość białek w mleku była niższa, jednak to obniżenie zawartości było znaczące tylko w nielicznych przypadkach. W dodatku w przypadkach tych stwierdzono znaczący wzrost produkcji mleka, co może sugerować, że spadek zawartości białka był efektem rozcieńczenia, co znalazło potwierdzenie w analizie danych z tych badań.
Wpływ IOP na zdrowie i reprodukcję u krów mlecznych.
Glukogenny efekt działania IOP zachęcił badaczy do objaśnienia jego potencjalnego działania antyketogennego. Pierwsze badania przeprowadzone w Irlandii dotyczyły użycia IOP przy redukowaniu efektów ketozy u krów mlecznych. Później dokładniejsze badania przeprowadzono w Kanadzie by objaśnić rolę monenzyny jako środka pomocniczego w zapobieganiu ketozie subklinicznej i związanym z nią zaburzeniom metabolicznym. Badania te wykazały obniżenie występowania tego schorzenia o 50% w stosunku do grupy kontrolnej krów. Podawanie IOP zmniejszyło także zachorowalność na kliniczną postać ketozy, zatkania ksiąg i różne inne schorzenia (np. zatrzymanie łożyska, zapalenie macicy, mastitis, przemieszczenie ksiąg, zaburzenia trawienia i inne). Antyketogenny efekt IOP został także potwierdzony przez wielu innych badaczy. Dane z tych eksperymentów wykazały, że monenzyna zmniejszała częstość zachorowań na zapalenie wymienia zarówno, gdy podawanie jej rozpoczęto po porodzie jak i przed porodem, jednak współczynnik zachorowalności obniżył się bardziej przy wcześniejszym rozpoczęciu suplementacji.
Badania australijskich badaczy wykazały także skuteczność monenzyny w zapobieganiu wzdęciu żwacza. Potwierdziły one też znaczące obniżanie przez IOP ryzyka chorób metabolicznych i infekcyjnych.
Dane z przeprowadzonych ostatnio w USA badań nie wykazały wpływu podawania monenzyny na zmniejszenie zachorowalności na zaburzenia trawienia, zatrzymanie łożyska, przemieszczenia ksiąg i kliniczną ketozę. Badania te nie są jednak dość wiarygodne, ponieważ u większości bydła użytego w tym eksperymencie podczas rozpoczynania podawania IOP występował prawdopodobnie niski poziom ryzyka rozwoju zaburzeń metabolicznych.
Badania wykazały, że wpływ IOP na zdrowie krów wynika z polepszenia bilansu energetycznego podczas wczesnej laktacji oraz ze zmniejszenia koncentracji krążących ciał ketonowych, które jak wykazano zmniejszają zdolności fagocytarne i bakteriobójcze neutrofili, produkcję cytokin i funkcje chemotaktyczne leukocytów bydła.
Zakrojone na szeroka skalę badania przeprowadzone w różnych krajach świata wykazały, że monenzyna nie ma wpływu na wydajność reprodukcyjną krów mlecznych, co sugeruje, że poprawa bilansu energetycznego wywołana przez nią może nie być wystarczająca do zwiększenia płodności krów.
Podsumowanie.
Podawanie IOP w dawkach zalecanych dla krów mlecznych nie przynosi efektów lub nieznacznie obniża zużycie karmy. Efekt ten powiązany jest ze zmianami w fermentacji żwacza zwiększającymi ilość składników odżywczych (gł. kw. propionowego) dostępnych dla krów. W rezultacie bilans energetyczny krów poprawia się, co przekłada się na wzrost produkcji mleka i poprawę odpowiedzi immunologicznej. Wielkość tego działania wydaje się być jednak zależna od kilku czynników, z których część jest jeszcze słabo poznana. Pozytywna odpowiedź zwierząt jest obserwowana częściej gdy dawka monenzyny wynosi 240-335 mg/dzień/zwierzę, podczas gdy inne dawki nie mogą być polecane z powodu ograniczonej przydatności danych z badań naukowych.
Dane sugerują, że krowy z większym ryzykiem powstania negatywnego bilansu energetycznego i/lub z większym ryzykiem chorób metabolicznych, np. krowy otłuszczone, w okresie okołoporodowym, mogą najwięcej skorzystać z pozytywnego wpływu IOP. Dlatego wprowadzanie strategii podawania IOP powinno objąć w szczególności te krowy aby maksymalnie zwiększyć korzyści ekonomiczne.
Konieczne są dalsze badania nad użytecznością IOP u bydła mlecznego. Ta wiedza jest warunkiem wstępnym do modelowania efektów wywoływanych przez IOP i opracowania wymagań dotyczących składników pokarmowych u krów mlecznych.
1