СПОСОБ СНИЖЕНИЯ МЕТАНОГЕНЕЗА У КРУПНОГО РОГАТОГО СКОТА Российский патент 2022 года по МПК A61K38/00 

Изобретения относится к области сельского хозяйства, в частности к животноводству, может быть использовано при кормлении для снижения метаногенеза у жвачных животных.

Жвачные животные являются основными производителями метана (СН₄). Они могут производить от 250 до 500 литров метана в день [Olijhoek D., Lund P. Methane production by ruminants. Department of Animal science AU-Foulum / Aarhus University, Denmark-2017 (1)].

Такой уровень производства метана приводит к высокой оценке вклада крупного рогатого скота в глобальное потепление. На выбросы метана от крупного рогатого скота влияют многие факторы (уровень потребления корма, тип углеводов в рационе, обработку корма и т.д.). Манипулирование этими факторами может снизить выбросы метана от крупного рогатого скота.

Переваривание корма в рубце микроорганизмами в анаэробных условиях приводит к образованию ацетата, пропионата и бутирата, которые используются животными в качестве источника энергии, а также к производству СО₂ и СН₄, который устраняется посредством отрыжки [Martin С., Morgavi D.P., Doreau M. Methane mitigation in ruminants: from microbe to the farm scale / Animal. - 2009. - 4(3). - P. 351-365 (2)].

Все эти газы производятся в рубце в процессе метаногенеза. Помимо негативного воздействия на окружающую среду, это процесс, представляющий собой потерю 2-15% общей потребляемой энергии животным, что приводит к непродуктивному использованию пищевой энергии [Kim Е.Т., Kim С.Н., Min K.С., Lee S.S. Effects of plant extract on microbial population, methane emission and ruminal fermentation characteristics in in vitro / Asian-Aust. J. Anim. Sci. - 2012. - 2. - P. 806-811 (3)].

Методы управления этим процессом включают устранение простейших, использование антибиотиков, использование источников липидов, органических кислот или изменение состава рациона.

С глобальной точки зрения, СН₄ является главным парниковым газом (ПГ), глобальный потенциал которого в 23 раза выше, чем у углекислого газа, и на его долю приходится 16% от общих глобальных выбросов ПГ. От домашнего скота наибольшее количество СН₄ образуется в результате кишечной ферментации, которая представляет собой естественный процесс, производимый жвачными животными, на долю которых приходится треть метана в сельском хозяйстве [Getabalew М., Alemneh Т., Akeberegn D. Methane Production in Ruminant Animals: Implication for Their Impact on Climate Change / Concepts of Dairy & Veterinary Sciences. - 2019. - 4. - P. 204-210 (4)].

Цель настоящего изобретения - использование активной угольной кормовой добавки при кормлении сельскохозяйственных животных для снижения метаногенеза у крупного рогатого скота.

Способ снижения метаногенеза у крупного рогатого скота, характеризуется тем, что предусматривает введение в основной рацион крупного рогатого скота однократно в утреннее кормление активной угольной кормовой добавки в дозе 150 г/гол в сутки, в течение 60 дней.

Активная угольная кормовая добавка производится ООО НТЦ «Химинвест» (Нижний Новгород) содержит в качестве сорбционного материала мелкофракционированный активированный уголь (размер частиц от 0,1 до 2 мм), полученный из мягколиственных пород древесины, и водный раствор биоактивного хвойного экстракта при следующем соотношении компонентов, мас. %: водный раствор биоактивного хвойного экстракта - 10-30; мелкофракционированный активированный уголь - 70-90 [Патент РФ 2522958. 20.07.2014 Бюл. 20. (5)].

В хвое сосны содержится железо, марганец, медь, цинк, кобальт, калий, натрий, кальций и другие микро- и макроэлементы. Кроме того, в хвое находятся смолистые вещества, эфирные масла и фитонциды, оказывающие бактериостатическое действие на микрофлору кишечника [Ягодин В.И., Выродов В.А. Технология древесной зелени. СПб.: ЛТА, 1994, 92 с. (6)].

Глицерин является основным компонентом всех жиров (триглицериды). Он частично ферментируется в рубце в масляную кислоту (образуется много) и в пропионовую кислоту. Масляная кислота оказывает положительное влияние на эпителий рубца. Она частично адсорбируется как таковая, поступает в печень, там преобразовывается в глюкозу.

Мелкофракционированный активированный уголь обладает высокой способностью удерживать (адсорбировать) на своей поверхности различные вещества, жидкости, газы.

Исследования проводили в производственных условиях на двух группах коров черно-пестрой породы (по 10 голов в каждой) после отела с проведением предварительного (уравнительного) периода (10 дней), подобранных по продуктивности, лактации с соблюдением Международных рекомендаций Европейской конвенции по защите позвоночных животных, используемых при экспериментальных исследованиях (Страсбург, 18 марта 1986 года).

Коровы контрольной группы получали основной рацион (ОР), в состав которого входит сенаж многолетних трав, силос кукурузный, сено бобовое, комбикорм и патока. Коровы опытной группы кроме основного рациона получали кормовую добавку в дозе 150 г/гол в сутки. Добавку смешивали с комбикормом и давали однократно в утреннее кормление. Продолжительность опыта составляла 60 дней.

Животные контрольной и опытной групп находились в одинаковых условиях содержания. Кормление их осуществлялось по распорядку дня, принятому в хозяйстве. Рационы кормления животных составлены в соответствии с их живой массой и продуктивностью (табл. 1).

В период проведения исследований определяли химический состав задаваемых кормов, молочную продуктивность и качество молока коров, рассчитывали количество выделенного коровами метана.

Удой (валовой, среднесуточный) рассчитан на основе проводимых контрольных доек от всех подопытных животных (n=10).

Для определения качества молока подопытных животных (n=10) отбирались средние пробы молока и в научно-исследовательской лаборатории ФГБОУ ВО Самарский ГАУ были определены: МД жира, МД белка, МД лактозы, СОМО.

Для анализа компонентного состава молока коров использовали аналитическую систему MilkoScan 7/Fossomatic 7 DC (Дания). MilkoScan 7 является спектрофотометром, работа которого основана на инфракрасной спектрофотометрии с преобразованием Фурье.

Выделение метана животными контрольной и опытной групп рассчитывали по уравнению регрессии [Stefanie W., Da G., Demo M., Tuchscherer A., Berg W., Kuhla B. Engelke Milk fatty acids estimated by mid-infrared spectroscopy and milk yield can predict methane emissions in dairy cows / Agronomy for Sustainable Development. - 2018. - 38. P (7)].

361.4+18.9×DMI+28.5×C18:0+(-23.6)×C18:1cis, где:

- DMI - потребление сухого вещества кг/день;

- С18:0 - содержание стеариновой кислоты (% от общего количества жира);

- C18:1cis - содержание олеиновой кислоты (% от общего количества жира).

Полученные в опыте материалы обработаны биометрически с использованием t-критерия Стьюдента. При этом вычислены следующие величины: среднеарифметическая (М), среднеквадратическая ошибка (m) и показатель существенной разницы (Р). Результаты исследований считали высокодостоверными при Р<0,001 и достоверными при Р<0,01 и Р<0,05. При Р<0,1, но Р>0,05 - тенденция к достоверности полученных данных. При Р>0,1 разницу считали недостоверной.

С целью изучения влияния активной угольной кормовой добавки, скармливаемой в составе рационов на молочную продуктивность, велся учет молочной продуктивности (табл. 2).

Как видно из данных таблицы 2, скармливание активной угольной кормовой добавки в составе рациона обеспечило повышение молочной продуктивности.

Среднесуточный удой молока на 30 и 60 дни опыта у коров опытной группы, был выше на 11,6-12,2%, по сравнению с животными контрольной группы. Наиболее высокое содержание жира - 3,78%, против 3,70% в контрольной.

Содержание белка молоке коров всех групп было практически одинаковым. Наблюдалось значительное снижение количества соматических клеток в молоке коров, которым скармливали хвойную энергетическую добавку, что может обуславливать бактериостатическое действие хвойного экстракта, входящего в состав добавки.

Затраты питательных веществ на производство 1 кг молока 3,4-%-ной жирности в группе коров, получавших кормовую добавку, были наименьшими. Так, у коров опытной группы был ниже расход энергетических концентрированных кормов на 10,5%, по сравнению с контрольными животными.

Согласно рамочной Конвенции ООН об изменении климата [UN Framework Convention on Climate Change. UN, UNEP/IUC, 1998] и Киотскому протоколу к ней [Киотский протокол к Конвенции об изменении климата. UN-FCCC, UNEP/IUC, 1998], ратифицированным Российской Федерацией, следует проводить ежегодную инвентаризацию антропогенных выбросов парниковых газов во всех секторах экономики страны. На сегодняшний день предпринято несколько попыток оценить эмиссию метана от животноводческого сектора на территории России [Артемов В.М., Нахутин А.И. Эмиссия метана в животноводстве на территории России в течение 125 лет / Докл. РАСХН, - 2000. - 1. - С. 24-27 (8); Богданов Г.О., Сологуб Л.И., Влизло В.В., Янович В.Г., Антоняк Г.Л., Лучка И.В. Биохимические и физиологические предпосылки уменьшения эмиссии метана жвачными животными / Сельскохозяйственная биология, - 2010. - №4. - С. 13-24 (9); Романовская А.А. Оценка объемов антропогенной эмиссии метана в животноводстве России / Сельскохозяйственная биология, 2008. - №6. - С. 59-65 (10)].

Общий недостаток таких оценок - использование средних по стране коэффициентов удельной эмиссии на 1 гол. без учета специфики содержания и кормления животных разных видов и половозрастных групп. В то же время состав и особенности усвоения кормов влияют на интенсивность ферментативных процессов в пищеварительном тракте и величину непродуктивных потерь валовой энергии корма с кишечными газами.

Доступные методы измерения выбросов СН₄ жвачными животными, такие как использование калориметра или камер для СН₄, туннельная система и метод индикатора гексафторида серы (SF₆), нелегко использовать на ферме, они трудоемки для оценки индивидуального производства СН₄ у многих коров. Поэтому, требуется более простые и подходящие методы для прогнозирования индивидуальных выбросов СН₄. Методы, в основе которых лежит тот факт, что синтез СН₄ зависит от типа ферментации рубца, который влияет на многие другие параметры, такие как состав молока являются актуальными.

Углеводы - важнейший источник энергии и основные предшественники жира и лактозы в коровьем молоке. Конечными продуктами разложения углеводов являются летучие жирные кислоты (ЛЖК), СО₂, СН₄ и Н₂. В процессе ферментации ацетат и бутират способствуют выработке СН₄, в то время как пропионат сохраняет конкурентную роль в использовании водорода. Повышенное соотношение бутират/пропионат снижает содержание лактозы и увеличивает содержание жира в молоке и синтез СН₄ в рубце. Таким образом, можно предположить взаимосвязь между содержанием СН₄, лактозы и жира. Кроме того, состав летучих жирных кислот в рубце также влияет на жировой состав молока. У жвачных животных жирные кислоты (ЖК) молока поступают из двух источников: поступление из кровотока и синтез de novo в молочной железе. Примерно половина ЖК молока (молярный процент) получается в результате синтеза de novo на основе ацетата и бутирата. ЖК с короткой и средней цепью (от 4 до 14 атомов углерода) полностью возникают в результате синтеза de novo. Длинноцепочечные ЖК (>16 атомов углерода) собираются в циркулирующих липидах, и ЖК, состоящие из 16 атомов углерода, зависят от этих двух источников [Bauman D.E., Griinari J.M. Nutritional regulation of milk fat synthesis / Annual Review of Nutrition, 2003. - 23. - P. 203-227 (11)].

Таким образом, пропорции различных ЖК отражают ферментацию рубца посредством ЛЖК, а затем выработку СН₄. Более того, несколько авторов уже сообщали для разных рационов о взаимосвязи между жирностью молока (измеренной с помощью газовой хроматографии (ГХ)) и выбросами СН₄ молочных коров [Сермягин А., Зиновьева Н., Ермилов А., Янчуков И. Инфракрасная спектроскопия молока / Животноводство России, 2019. - С. 68-68 (12); Chilliard Y., Martin С., Rouel J., Doreau M. Milk fatty acids in dairy cows fed whole crude linseed, extruded linseed, or linseed oil, and their relationship with CH4 output / Journal of Dairy Science, 2009. - 92. - P. 5199-5211 (13); Dehareng F., Delfosse C., Froidmont E., et al. Potential use of milk mid-infrared spectra to predict individual methane emission of dairy cows // Animal - 2012. - 6 (10). - P. 1694-1701 (14)].

Эти результаты показывают, что в целом выбросы CH₄ связаны с составом молока. Прогноз по метану, полученный на основе спектров молока в среднем инфракрасном диапазоне, проведенный Dehareng et al. был дополнительно улучшен за счет включения информации о стадии лактации [Vanlierde A., Vanrobays M.L., Gengler N., et. al. Milk mid-infrared spectra enable prediction of lactation-stage-dependent methane emissions of dairy cattle within routine population-scale milk recording schemes //. Anim. Prod. Sci. - 2016. - 56. - P. 258-264. https://doi.org/10.1071/an15590 (15)].

Потребление сухого вещества является основным фактором, определяющим выбросы СН₄ [Knapp J.R., Laur G.L., Vadas Р.А., Weiss W.P., Tricarico J.M. Invited review: enteric methane in dairy cattle production: quantifying the opportunities and impact of reducing emissions / J. Dairy Sci. - 2014. - 97. - P. 3231-3261. https://doi.org/10.3168/jds.2013-7234 (16)]. Отсюда следует, что выброс СН₄ можно предсказать на основе концентраций жирных кислот молока, определенных с помощью спектроскопии в средней инфракрасной области.

Определен жирнокислотный состав молока коров контрольной и опытной групп, которые получали активную угольную кормовую добавку. Результаты исследований представлены в табл. 3.

Из таблицы 2 следует, что в молоке коров опытной группы, которые получали активную угольную кормовую добавку, было отмечено увеличение количества стеариновой (С18:0) и олеиновой (С18:1) жирных кислот, длинноцепочечных жирных кислот (LCFA) и мононенасыщенных жирных кислот (MUFA).

Жирные кислоты молока образуются как из абсорбированных жирных кислот в кишечнике, так и из синтеза из ацетата и бутирата рубца, поэтому может существовать взаимосвязь между метаном и жирными кислотами молока в-первую очередь из-за общих биохимических путей между метаном, ацетатом и бутиратом в рубце. Превращение пиру вата в ацетат, бутират, пропионат, диоксид углерода и водород, который, в свою очередь, превращается в метан, подчиняется стехиометрическому соотношению [Moss A.R., Jouany P., Newbold J. Methane production by ruminants: Its contribution to global warming // Ann. Zootech. - 2000. - 49. - P. 231-253 (17)]: CH₄=0,45 ацетат - 0,275 пропионат + 0,40 бутират.

По данным Y. Chilliard et al. (2009) между выходом СН₄ отдельными концентрациями жирных кислот в молоке имеются корреляционные связи. Положительные корреляции (r=0,87-0,91) наблюдали для насыщенных ЖК от 6:0 до 16:0 и для 10:1, тогда как значения r между 0,83 и 0,71 наблюдали для 20:4n-6, 11:0, 12:1, 9:0, 15:0, 17:0 и 4:0. Отрицательные корреляции (r=-0,86 до -0,90) с выходом СН₄ наблюдались для транс-16+ цис- 14 18:1; цис-9, транс-13 18: 2; транс-11 16: 1; и транс-12 18:1, тогда как значения r=-0,84- -0,72 наблюдали для нескольких цис- и транс-изомеров 18: 1, включая цис- 9 18: 1 и транс- 11, цис- 15 18: 2. При использовании сумм связанных жирных кислот высокие значения корреляции наблюдались от 8:0 до 16:0 (r=0,94) и для суммы С18 (r=-0,94).

Stefanie W. Engelke et al. (2018) изучили взаимосвязь между выбросом метана коров, измеренным в дыхательных камерах, и жирными кислотами молока, предсказанными с помощью спектроскопии в среднем инфракрасном диапазоне. Коровам скармливали различные рационы, которые отличались по по типу корма и добавкам из льняного семени, что приводило к большим колебаниям как по выбросам СН₄, так и по содержанию жирных кислот в молоке. Проанализировав, полученные данные авторы разработали уравнения множественной регрессии, прогнозирующих выделение коровами метана, для каждого рациона и общее уравнение для всех рационов.

Уравнение регрессии характеризующее выделение коровами метана выглядит следующим образом [Stefanie W. Engelke, Da G., Derno M., et. al. Milk, fatty acids estimated by mid-infrared spectroscopy and milk yield can predict methane emissions in dairy cows // Agronomy for Sustainable Development. - 2018. - 38. P. 27 (7)]: 361.4+18.9×DMI+28.5×C18:0+(-23.6)×C18:1cis,

где DMI - потребление сухого вещества кг/день

С18:0 - содержание стеариновой кислоты (% от общего количества жира)

C18:1cis - содержание солеиновой кислоты (% от общего количества жира)

Для коров контрольной и опытной групп рассчитали количество выделяемого метана (таблица 3)

Из данных таблицы 3 следует, что кормовая добавка, включенная в состав рациона новотельных коров, способствовала снижению выделений метана. Так, в контрольной группе коров отмечено максимальное количество метана - 446,6 л в сутки, тогда как в опытной группе суточное выделение метана составило 333,84 л или на 33,0% меньше.

Экономическая эффективность применения активной угольной кормовой добавки в рационах коров представлена в таблице 4.

Из таблицы 4 следует, что при скармливании активной угольной кормовой добавки коровам в течение 60 дней, дополнительно получили от одного животного 141,7 кг молока 3,4% жирности, стоимость которого составит 3967,6 рублей. При этом за весь период эксперимента затратили 9 кг активной угольной кормовой добавки (150 г/сут) на сумму 1350,0 руб. Отсюда следует, что за 60 дней эксперимента на одну корову получили условно чистый доход на сумму 2617,6 рублей.

На основании проведенных исследований можно заключить, что включение в состав рациона активной угольной кормовой добавки коровам в начале лактации приводило к увеличению среднесуточных удоев молока натуральной жирности на 11,9-12,2%, при снижении затрат кормов на единицу получаемой продукции.

Кормовая добавка в составе рациона приводила к снижению выбросов метана от коров в контрольной группе коров отмечено максимальное количество метана - 446,6 л в сутки, тогда как в опытной 333,84 л или 33,0%.

При этом условно чистый доход от применения хвойной энергетической добавки составил 2617,6 рублей за период эксперимента в расчете на одно животное.

Источники информации, принятые при экспертизе заявки:

1. Olijhoek D., Lund P. Methane production by ruminants. Department of Animal science AU-Foulum / D. Olijhoek // Aarhus University, Denmark - 2017.

2. Martin С., Morgavi D.P., Doreau M. Methane mitigation in ruminants: from microbe to the farm scale / Animal. - 2009. - 4(3). - P. 351-365.

3. Kim E.T., Kim C.H., Min K.C., Lee S.S. Effects of plant extract on microbial population, methane emission and ruminal fermentation characteristics in in vitro / Asian-Aust. J. Anim. Sci. - 2012. - 2. - P. 806-811.

4. Getabalew M., Alemneh Т., Akeberegn D. Methane Production in Ruminant Animals: Implication for Their Impact on Climate Change / Concepts of Dairy & Veterinary Sciences. - 2019. - 4. - P. 204-210.

5. Патент РФ 2522958. 20.07.2014 Бюл. 20.

6. Ягодин В.И., Выродов В.А. Технология древесной зелени. СПб.: ЛТА, 1994, 92 с.

7. Stefanie W., Da G., Derno M., Tuchscherer A., Berg W., Kuhla B. Engelke Milk fatty acids estimated by mid-infrared spectroscopy and milk yield can predict methane emissions in dairy cows / Agronomy for Sustainable Development. - 2018.- 38. P.

8. Артемов B.M., Нахутин А.И. Эмиссия метана в животноводстве на территории России в течение 125 лет / Докл. РАСХН, - 2000. - 1. - С. 24-27.

9. Богданов Г.О., Сологуб Л.И., Влизло В.В., Янович В.Г., Антоняк Г.Л., Лучка И.В. Биохимические и физиологические предпосылки уменьшения эмиссии метана жвачными животными / Сельскохозяйственная биология, - 2010. - №4. - С. 13-24.

10. Романовская А.А. Оценка объемов антропогенной эмиссии метана в животноводстве России / Сельскохозяйственная биология, 2008. - №6. - С. 59-65.

11. Bauman D.E., Griinari J.M. Nutritional regulation of milk fat synthesis / Annual Review of Nutrition, 2003. - 23. - P. 203-227.

12. Сермягин А., Зиновьева H., Ермилов А., Янчуков И. Инфракрасная спектроскопия молока / Животноводство России, 2019. - С. 68-68.

13. Chilliard Y., Martin С., Rouel J., Doreau M. Milk fatty acids in dairy cows fed whole crude linseed, extruded linseed, or linseed oil, and their relationship with CH4 output / Journal of Dairy Science, 2009. - 92. - P. 5199-5211.

14. Dehareng F., Delfosse C., Froidmont E., et al. Potential use of milk mid-infrared spectra to predict individual methane emission of dairy cows // Animal - 2012. - 6 (10). - P. 1694-1701.

15. Vanlierde A., Vanrobays M.L., Gengler N., et. al. Milk mid-infrared spectra enable prediction of lactation-stage-dependent methane emissions of dairy cattle within routine population-scale milk recording schemes //. Anim. Prod. Sci. - 2016. - 56. - P. 258-264.

16. Knapp J.R., Laur G.L., Vadas P.A., Weiss W.P., Tricarico J.M. Invited review: enteric methane in dairy cattle production: quantifying the opportunities and impact of reducing emissions / J. Dairy Sci. - 2014. - 97. - P. 3231-3261.

17. Moss A.R., Jouany P., Newbold J. Methane production by ruminants: Its contribution to global warming // Ann. Zootech. - 2000. - 49. - P. 231-253.

Изобретение относится к области биотехнологии. Изобретение представляет собой способ снижения метаногенеза у крупного рогатого скота, характеризующийся тем, что предусматривает введение в основной рацион крупного рогатого скота однократно в утреннее кормление активной угольной кормовой добавки в дозе 150 г/гол в сутки, в течение 60 дней. Изобретение позволяет снизить метаногенез у жвачных животных. 5 табл.

Способ снижения метаногенеза у крупного рогатого скота, характеризующийся тем, что предусматривает введение в основной рацион крупного рогатого скота однократно в утреннее кормление активной угольной кормовой добавки в дозе 150 г/гол в сутки в течение 60 дней.