Tämä artikkeli on osa tutkimusteemaa ”Mikrobilääkkeiden käyttö, mikrobilääkeresistenssi ja ruokaeläinten mikrobiomi”. Katso kaikki 13 artikkelia
Orgaanisille hapoille on edelleen suuri kysyntä eläinten rehun lisäaineina. Tähän mennessä on keskitytty elintarviketurvallisuuteen, erityisesti elintarvikeperäisten patogeenien esiintyvyyden vähentämiseen siipikarjassa ja muissa eläimissä. Useita orgaanisia happoja tutkitaan parhaillaan tai ne ovat jo kaupallisessa käytössä. Muurahaishappo on yksi niistä monista laajasti tutkituista orgaanisista hapoista. Muurahaishappoa lisätään siipikarjan ruokavalioon rajoittamaan salmonellan ja muiden elintarvikeperäisten patogeenien esiintymistä rehussa ja ruoansulatuskanavassa nauttimisen jälkeen. Kun ymmärrys muurahaishapon tehokkuudesta ja vaikutuksesta isäntään ja elintarvikeperäisiin patogeeneihin kasvaa, on käymässä selvemmäksi, että muurahaishapon läsnäolo voi laukaista tiettyjä reittejä salmonellassa. Tämä reaktio voi monimutkaistua, kun muurahaishappo pääsee ruoansulatuskanavaan ja on vuorovaikutuksessa paitsi ruoansulatuskanavassa jo asuvan salmonellan kanssa myös suoliston oman mikrobiflooran kanssa. Katsauksessa tarkastellaan nykyisiä tuloksia ja tulevaisuuden tutkimusnäkymiä muurahaishapolla käsitellyn siipikarjan ja rehun mikrobiomista.
Sekä kotieläin- että siipikarjantuotannossa haasteena on kehittää hallintastrategioita, jotka optimoivat kasvun ja tuottavuuden samalla rajoittaen elintarviketurvallisuusriskejä. Historiallisesti antibioottien antaminen subterapeuttisina pitoisuuksina on parantanut eläinten terveyttä, hyvinvointia ja tuottavuutta (1–3). Vaikutusmekanismin näkökulmasta on ehdotettu, että subinhibitorisilla pitoisuuksilla annetut antibiootit välittävät isännän vasteita moduloimalla ruoansulatuskanavan bakteerikantaa ja sitä kautta sen vuorovaikutusta isännän kanssa (3). Jatkuva huoli antibiooteille resistenttien elintarvikeperäisten patogeenien mahdollisesta leviämisestä ja niiden mahdollisesta yhteydestä antibiooteille resistentteihin infektioihin ihmisillä on kuitenkin johtanut antibioottien käytön asteittaiseen lopettamiseen elintarvikeeläimillä (4–8). Siksi sellaisten rehun lisäaineiden ja parannusaineiden kehittäminen, jotka täyttävät ainakin osan näistä vaatimuksista (eläinten terveyden, hyvinvoinnin ja tuottavuuden parantaminen), on erittäin kiinnostavaa sekä akateemisen tutkimuksen että kaupallisen kehityksen näkökulmasta (5, 9). Eläinrehumarkkinoille on tullut useita kaupallisia rehun lisäaineita, mukaan lukien probiootit, prebiootit, eteeriset öljyt ja niihin liittyvät yhdisteet eri kasvilähteistä sekä kemikaalit, kuten aldehydit (10–14). Muita siipikarjassa yleisesti käytettyjä kaupallisia rehun lisäaineita ovat bakteriofagit, sinkkioksidi, eksogeeniset entsyymit, kilpailua estävät tuotteet ja happamat yhdisteet (15, 16).
Olemassa olevista kemiallisista rehun lisäaineista aldehydit ja orgaaniset hapot ovat historiallisesti olleet laajimmin tutkittuja ja käytettyjä yhdisteitä (12, 17–21). Orgaaniset hapot, erityisesti lyhytketjuiset rasvahapot (SCFA), ovat tunnettuja patogeenisten bakteerien antagonisteja. Näitä orgaanisia happoja käytetään rehun lisäaineina paitsi rajoittamaan patogeenien esiintymistä rehumatriisissa, myös vaikuttamaan aktiivisesti ruoansulatuskanavan toimintaan (17, 20–24). Lisäksi SCFA:ita tuotetaan suolistobakteeriston käymisen kautta ruoansulatuskanavassa, ja niiden uskotaan olevan mekanistinen rooli joidenkin probioottien ja prebioottien kyvyssä torjua ruoansulatuskanavassa nautittuja patogeenejä (21, 23, 25).
Vuosien varrella erilaiset lyhytketjuiset rasvahapot (SCFA) ovat herättäneet paljon huomiota rehun lisäaineina. Erityisesti propionaatti, butyraatti ja formiaatti ovat olleet lukuisten tutkimusten ja kaupallisten sovellusten kohteena (17, 20, 21, 23, 24, 26). Vaikka varhaiset tutkimukset keskittyivät elintarvikeperäisten patogeenien torjuntaan eläinten ja siipikarjan rehuissa, uudemmat tutkimukset ovat siirtäneet painopistettä eläinten suorituskyvyn ja ruoansulatuskanavan terveyden yleiseen parantamiseen (20, 21, 24). Asetaatti, propionaatti ja butyraatti ovat herättäneet paljon huomiota orgaanisina happorehun lisäaineina, joista muurahaishappo on myös lupaava ehdokas (21, 23). Paljon huomiota on kiinnitetty muurahaishapon elintarviketurvallisuusnäkökohtiin, erityisesti elintarvikeperäisten patogeenien esiintyvyyden vähentämiseen karjanrehussa. Myös muita mahdollisia käyttötarkoituksia harkitaan. Tämän katsauksen yleisenä tavoitteena on tutkia muurahaishapon historiaa ja nykytilaa karjanrehun parannusaineena (kuva 1). Tässä tutkimuksessa tarkastelemme muurahaishapon antibakteerista mekanismia. Lisäksi tarkastelemme lähemmin sen vaikutuksia karjaan ja siipikarjaan ja keskustelemme mahdollisista menetelmistä sen tehokkuuden parantamiseksi.
Kuva 1. Tässä katsauksessa käsiteltyjen aiheiden miellekartta. Erityisesti keskityttiin seuraaviin yleisiin tavoitteisiin: kuvailla muurahaishapon historiaa ja nykytilaa karjanrehunparannusaineena, muurahaishapon antimikrobisia mekanismeja ja sen käytön vaikutusta eläinten ja siipikarjan terveyteen sekä mahdollisia menetelmiä tehon parantamiseksi.
Karjan ja siipikarjan rehun tuotanto on monimutkainen operaatio, johon kuuluu useita vaiheita, mukaan lukien viljan fyysinen käsittely (esim. jauhaminen partikkelikoon pienentämiseksi), lämpökäsittely pelletointia varten ja useiden ravintoaineiden lisääminen ruokavalioon eläimen erityisten ravitsemuksellisten tarpeiden mukaan (27). Tämän monimutkaisuuden vuoksi ei ole yllättävää, että rehun käsittely altistaa viljan erilaisille ympäristötekijöille ennen kuin se saapuu rehumyllylle, jauhamisen aikana ja myöhemmin kuljetuksen ja rehuseosten syöttämisen aikana (9, 21, 28). Vuosien varrella rehuista on tunnistettu hyvin monimuotoinen ryhmä mikro-organismeja, mukaan lukien bakteerien lisäksi myös bakteriofageja, sieniä ja hiivoja (9, 21, 28–31). Jotkut näistä epäpuhtauksista, kuten tietyt sienet, voivat tuottaa mykotoksiineja, jotka aiheuttavat terveysriskejä eläimille (32–35).
Bakteeripopulaatiot voivat olla suhteellisen monimuotoisia ja riippuvat jossain määrin mikro-organismien eristämiseen ja tunnistamiseen käytetyistä menetelmistä sekä näytteen lähteestä. Esimerkiksi mikrobikoostumusprofiili voi vaihdella ennen pelletointiin liittyvää lämpökäsittelyä (36). Vaikka klassiset viljely- ja levyviljelymenetelmät ovat antaneet jonkin verran tietoa, 16S rRNA -geeniin perustuvan seuraavan sukupolven sekvensointimenetelmän (NGS) äskettäinen soveltaminen on tarjonnut kattavamman arvion rehukasvien mikrobiomiyhteisöstä (9). Kun Solanki ym. (37) tutkivat vehnänjyvien bakteerimikrobiomia, jota oli säilytetty tietyn ajan fosfiinin, hyönteisten torjunta-aineen, läsnä ollessa, he havaitsivat, että mikrobiomi oli monimuotoisempi sadonkorjuun jälkeen ja kolmen kuukauden varastoinnin jälkeen. Lisäksi Solanki ym. (37) (37) osoittivat, että proteobakteerit, firmicutes, aktinobakteerit, bakteroidetes ja planktomyces olivat vehnänjyvien hallitsevat pääjaksot, Bacillus, Erwinia ja Pseudomonas olivat hallitsevat suvut, ja enterobakteerit muodostivat pienen osan. Taksonomisten vertailujen perusteella he päättelivät, että fosfiinikaasutus muutti merkittävästi bakteeripopulaatioita, mutta ei vaikuttanut sienten monimuotoisuuteen.
Solanki ym. (37) osoittivat, että rehun lähteet voivat myös sisältää elintarvikeperäisiä taudinaiheuttajia, jotka voivat aiheuttaa kansanterveysongelmia mikrobiomissa havaittujen enterobakteerien perusteella. Elintarvikkeista peräisin olevia taudinaiheuttajia, kuten Clostridium perfringens, Clostridium botulinum, Salmonella, Campylobacter, Escherichia coli O157:H7 ja Listeria monocytogenes, on yhdistetty eläinten rehuun ja säilörehuun (9, 31, 38). Muiden elintarvikeperäisten taudinaiheuttajien pysyvyys eläinten ja siipikarjan rehuissa on tällä hetkellä tuntematon. Ge ym. (39) seuloivat yli 200 eläinten rehun ainesosaa ja eristivät Salmonella-, E. coli- ja enterokokkeja, mutta eivät havainneet E. coli O157:H7- tai Campylobacter-bakteereja. Matriisit, kuten kuivarehu, voivat kuitenkin toimia patogeenisen E. colin lähteenä. Jäljittäessään vuonna 2016 tapahtuneen ihmissairauksiin liittyvän shiga-toksiinia tuottavan Escherichia coli (STEC) -seroryhmien O121 ja O26 epidemian lähdettä Crowe ym. (40) käyttivät koko genomin sekvensointia verratakseen kliinisiä isolaatteja elintarvikkeista saatuihin isolaatteihin. Tämän vertailun perusteella he päättelivät, että todennäköinen lähde oli jauhomyllyistä peräisin oleva vähäkosteinen raaka vehnäjauho. Vehnäjauhon alhainen kosteuspitoisuus viittaa siihen, että STEC voi selviytyä myös vähäkosteisessa eläinten rehussa. Kuten Crowe ym. (40) kuitenkin huomauttavat, STEC:n eristäminen jauhonäytteistä on vaikeaa ja vaatii immunomagneettisia erotusmenetelmiä riittävän määrän bakteerisolujen talteen ottamiseksi. Samankaltaiset diagnostiset prosessit voivat myös monimutkaistaa harvinaisten elintarvikeperäisten patogeenien havaitsemista ja eristämistä eläinten rehussa. Havaitsemisvaikeus voi johtua myös näiden patogeenien pitkästä säilyvyydestä vähäkosteisissa matriiseissa. Forghani ym. (41) osoitti, että huoneenlämmössä säilytetty ja enterohemorragisen Escherichia coli (EHEC) -seroryhmien O45, O121 ja O145 sekä Salmonellan (S. Typhimurium, S. Agona, S. Enteritidis ja S. Anatum) seoksella inokuloitu vehnäjauho oli kvantifioitavissa 84 ja 112 päivän kuluttua ja edelleen havaittavissa 24 ja 52 viikon kuluttua.
Historiallisesti Campylobacteria ei ole koskaan eristetty eläinten ja siipikarjan rehusta perinteisillä viljelymenetelmillä (38, 39), vaikka Campylobacter voidaan helposti eristää siipikarjan ja siipikarjatuotteiden ruoansulatuskanavasta (42, 43). Rehulla on kuitenkin edelleen etunsa potentiaalisena lähteenä. Esimerkiksi Alves ym. (44) osoittivat, että C. jejuni -bakteerin rokottaminen broilerikanojen rehuun ja sen jälkeinen säilytys kahdessa eri lämpötilassa 3 tai 5 päivän ajan johti elinkelpoisten C. jejuni -bakteerien talteenottoon ja joissakin tapauksissa jopa niiden lisääntymiseen. He päättelivät, että C. jejuni voi varmasti selviytyä siipikarjan rehussa ja voi siksi olla mahdollinen infektion lähde kanoille.
Eläinten ja siipikarjan rehun salmonellakontaminaatio on saanut paljon huomiota aiemmin, ja se on edelleen jatkuvien pyrkimysten keskipisteenä rehuille soveltuvien havaitsemismenetelmien kehittämiseksi ja tehokkaampien valvontatoimenpiteiden löytämiseksi (12, 26, 30, 45–53). Vuosien varrella on tehty useita tutkimuksia, joissa on tarkasteltu salmonellan eristämistä ja karakterisointia eri rehulaitoksissa ja rehutehtaissa (38, 39, 54–61). Kaiken kaikkiaan nämä tutkimukset osoittavat, että salmonellaa voidaan eristää useista rehun ainesosista, rehun lähteistä, rehutyypeistä ja rehunvalmistustoiminnoista. Myös esiintyvyysasteet ja vallitsevat salmonellaserotyypit vaihtelivat. Esimerkiksi Li ym. (57) vahvistivat Salmonella spp.:n esiintymisen. Sitä havaittiin 12,5 %:ssa 2058 näytteestä, jotka kerättiin täysjyväisistä eläinten rehuista, rehun ainesosista, lemmikkieläinten ruoista, lemmikkieläinten herkuista ja lemmikkieläinten lisäravinteista tiedonkeruujaksolla 2002–2009. Lisäksi yleisimmät positiivisiksi testatuista salmonellanäytteistä havaitut serotyypit olivat S. Senftenberg ja S. Montevideo (57). Teksasissa tehdyssä valmisruokia ja eläinten rehun sivutuotteita koskevassa tutkimuksessa Hsieh ym. (58) raportoivat, että salmonellan esiintyvyys oli korkein kalajauhossa, jota seurasivat eläinproteiinit. S. Mbanka ja S. Montevideo olivat yleisimmät serotyypit. Rehutehtailla on myös useita mahdollisia rehun kontaminaatiopisteitä sekoittamisen ja ainesosien lisäämisen aikana (9, 56, 61). Magossi ym. (61) pystyivät osoittamaan, että Yhdysvalloissa rehuntuotannon aikana voi esiintyä useita kontaminaatiopisteitä. Itse asiassa Magossi ym. (61) löysivät ainakin yhden positiivisen salmonellaviljelyn 11 rehutehtaalla (yhteensä 12 näytteenottopaikasta) kahdeksassa Yhdysvaltojen osavaltiossa. Ottaen huomioon salmonellan saastumisriskin rehun käsittelyn, kuljetuksen ja päivittäisen ruokinnan aikana, ei ole yllättävää, että merkittäviä ponnisteluja tehdään sellaisten rehun lisäaineiden kehittämiseksi, jotka voivat vähentää ja pitää mikrobikontaminaation tasot alhaisina koko eläinten tuotantosyklin ajan.
Salmonellan spesifisen muurahaishappovasteen mekanismista tiedetään vain vähän. Huang ym. (62) kuitenkin osoittivat, että muurahaishappoa esiintyy nisäkkäiden ohutsuolessa ja että Salmonella spp. kykenevät tuottamaan muurahaishappoa. Huang ym. (62) käyttivät sarjaa keskeisten reittien deleetiomutantteja Salmonellan virulenssigeenien ilmentymisen havaitsemiseksi ja havaitsivat, että formiaatti voi toimia diffundoituvana signaalina, joka indusoi Salmonellan tunkeutumaan Hep-2-epiteelisoluihin. Äskettäin Liu ym. (63) eristivät Salmonella typhimuriumista formiaattikuljettajan, FocA:n, joka toimii spesifisenä formiaattikanavana pH-arvossa 7,0, mutta voi toimia myös passiivisena vientikanavana korkeassa ulkoisessa pH-arvossa tai sekundaarisena aktiivisena formiaatti/vetyioni-tuontikanavana matalassa pH-arvossa. Tämä tutkimus tehtiin kuitenkin vain yhdellä S. Typhimurium -serotyypillä. Kysymys kuuluu, reagoivatko kaikki serotyypit muurahaishappoon samalla tavalla. Tämä on edelleen kriittinen tutkimuskysymys, johon tulisi vastata tulevissa tutkimuksissa. Tuloksista riippumatta on edelleen järkevää käyttää useita Salmonella-serotyyppejä tai jopa useita kantoja kustakin serotyypistä seulontakokeissa, kun kehitetään yleisiä suosituksia happolisien käytöstä rehun Salmonella-pitoisuuksien vähentämiseksi. Uudemmat lähestymistavat, kuten geneettisen viivakoodin käyttö kantojen koodaamiseen saman serotyypin eri alaryhmien erottamiseksi (9, 64), tarjoavat mahdollisuuden havaita tarkempia eroja, jotka voivat vaikuttaa johtopäätöksiin ja erojen tulkintaan.
Myös formiaatin kemiallinen luonne ja dissosiaatiomuoto voivat olla tärkeitä. Beyer ym. (65–67) osoittivat sarjassa tutkimuksia, että Enterococcus faeciumin, Campylobacter jejunin ja Campylobacter colin esto korreloi dissosioituneen muurahaishapon määrän kanssa ja oli riippumaton pH:sta tai dissosioitumattomasta muurahaishaposta. Myös formiaatin kemiallinen muoto, jolle bakteerit altistuvat, näyttää olevan tärkeä. Kovanda ym. (68) seuloivat useita gramnegatiivisia ja grampositiivisia organismeja ja vertasivat natriumformiaatin (500–25 000 mg/l) ja natriumformiaatin ja vapaan formiaatin seoksen (40/60 m/v; 10–10 000 mg/l) pienimpiä estäviä pitoisuuksia (MIC). MIC-arvojen perusteella he havaitsivat, että natriumformiaatti oli estävä vain Campylobacter jejuni-, Clostridium perfringens-, Streptococcus suis- ja Streptococcus pneumoniae -bakteereja vastaan, mutta ei Escherichia coli-, Salmonella typhimurium- tai Enterococcus faecalis -bakteereja vastaan. Sitä vastoin natriumformiaatin ja vapaan natriumformiaatin seos oli estävä kaikkia organismeja vastaan, minkä vuoksi kirjoittajat päättelivät, että vapaalla muurahaishapolla on suurin osa antimikrobisista ominaisuuksista. Olisi mielenkiintoista tutkia näiden kahden kemiallisen muodon eri suhteita sen määrittämiseksi, korreloiko MIC-arvojen vaihteluväli seosvalmisteessa olevan muurahaishapon pitoisuuden ja 100-prosenttisen muurahaishapon vasteen kanssa.
Gomez-Garcia ym. (69) testasivat eteeristen öljyjen ja orgaanisten happojen (kuten muurahaishapon) yhdistelmiä useita sioista saatuja Escherichia coli-, Salmonella- ja Clostridium perfringens -isolaatteja vastaan. He testasivat kuuden orgaanisen hapon, mukaan lukien muurahaishapon, ja kuuden eteerisen öljyn tehokkuutta sioista isolaatteja vastaan ​​käyttäen formaldehydiä positiivisena kontrollina. Gomez-García ym. (69) määrittivät muurahaishapon MIC50-, MBC50- ja MIC50/MBC50-arvot Escherichia colia (600 ja 2400 ppm, 4), Salmonellaa (600 ja 2400 ppm, 4) ja Clostridium perfringensiä (1200 ja 2400 ppm, 2) vastaan, joista muurahaishapon havaittiin olevan tehokkaampi kuin kaikki orgaaniset hapot E. colia ja Salmonellaa vastaan. (69) Muurahaishappo on tehokas Escherichia colia ja Salmonellaa vastaan ​​pienen molekyylikokonsa ja pitkän ketjunsa ansiosta (70).
Beyer ym. seuloivat sioista eristettyjä Campylobacter-kantoja (66) ja siipikarjasta eristettyjä Campylobacter jejuni -kantoja (67) ja osoittivat, että muurahaishappo dissosioituu pitoisuuksina, jotka ovat yhdenmukaisia ​​muiden orgaanisten happojen MIC-vasteiden kanssa. Näiden happojen, mukaan lukien muurahaishapon, suhteellisia tehoja on kuitenkin kyseenalaistettu, koska Campylobacter voi hyödyntää näitä happoja substraatteina (66, 67). C. jejunin happojen hyödyntäminen ei ole yllättävää, koska sen on osoitettu metaboloituvan ei-glykolyyttisesti. Siten C. jejunilla on rajallinen kyky hiilihydraattien kataboliaan ja se on riippuvainen aminohappojen ja orgaanisten happojen glukoneogeneesistä suurimman osan energia-aineenvaihdunnastaan ​​ja biosynteettisestä aktiivisuudestaan ​​(71, 72). Line ym. (73) varhaisessa tutkimuksessa käytettiin 190 hiilenlähdettä sisältävää fenotyyppistä sirua ja osoitettiin, että C. jejuni 11168(GS) voi hyödyntää orgaanisia happoja hiilenlähteinä, joista useimmat ovat trikarboksyylihapposyklin välituotteita. Wagli ym. jatkotutkimuksia... (74) osoitti fenotyyppisen hiilenkäyttöanalyysin avulla, että heidän tutkimuksessaan tarkastellut C. jejuni- ja E. coli -kannat kykenevät kasvamaan orgaanisilla hapoilla hiilen lähteenä. Formiaatti on tärkein elektronidonori C. jejunin hengitysenergia-aineenvaihdunnassa ja siten C. jejunin tärkein energianlähde (71, 75). C. jejuni pystyy hyödyntämään formiaattia vedyn luovuttajana kalvoon sitoutuneen formiaattidehydrogenaasikompleksin kautta, joka hapettaa formiaatin hiilidioksidiksi, protoneiksi ja elektroneiksi ja toimii elektronidonorina hengityksessä (72).
Muurahaishappoa on pitkään käytetty antimikrobisena rehunparannusaineena, mutta jotkut hyönteiset voivat myös tuottaa muurahaishappoa antimikrobisena puolustuskemikaalina. Rossini ym. (76) ehdottivat, että muurahaishappo voi olla osa muurahaisten happamaa mahlaa, jonka Ray (77) kuvaili lähes 350 vuotta sitten. Sittemmin ymmärryksemme muurahaishapon tuotannosta muurahaisissa ja muissa hyönteisissä on lisääntynyt huomattavasti, ja nyt tiedetään, että tämä prosessi on osa hyönteisten monimutkaista toksiinien puolustusjärjestelmää (78). Useiden hyönteisryhmien, mukaan lukien pistimettömien mehiläisten, suipkomuurahaisten (Hymenoptera: Apidae), maakiitäjäisten (Galerita lecontei ja G. janus), pistimettömien muurahaisten (Formicinae) ja joidenkin koitoukkien (Lepidoptera: Myrmecophaga), tiedetään tuottavan muurahaishappoa puolustuskemikaalina (76, 78–82).
Muurahaiset ovat kenties parhaiten karakterisoituja, koska niillä on asidosyyttejä, erikoistuneita aukkoja, joiden avulla ne voivat suihkuttaa pääasiassa muurahaishaposta koostuvaa myrkkyä (82). Muurahaiset käyttävät seriiniä esiasteena ja varastoivat suuria määriä formiaattia myrkkyrauhasiinsa, jotka ovat riittävän eristettyjä suojaamaan isäntämuurahaisia ​​formiaatin sytotoksisuudelta, kunnes sitä suihkutetaan (78, 83). Niiden erittämä muurahaishappo voi (1) toimia hälytysferomonina houkuttelemaan muita muurahaisia; (2) olla puolustuskemikaali kilpailijoita ja saalistajia vastaan; ja (3) toimia sieni- ja bakteereja tappavana aineena yhdistettynä hartsiin osana pesämateriaalia (78, 82, 84–88). Muurahaisten tuottamalla muurahaishapolla on antimikrobisia ominaisuuksia, mikä viittaa siihen, että sitä voitaisiin käyttää paikallisesti käytettävänä lisäaineena. Tämän osoittivat Bruch ym. (88), jotka lisäsivät hartsiin synteettistä muurahaishappoa ja paransivat merkittävästi sienikasvustoa estävää vaikutusta. Lisätodisteena muurahaishapon tehokkuudesta ja biologisesta hyödyllisyydestä on se, että jättiläismuurahaiskarhut, jotka eivät pysty tuottamaan mahahappoa, syövät muurahaishappoa sisältäviä muurahaisia ​​saadakseen itselleen väkevöityä muurahaishappoa vaihtoehtoiseksi ruoansulatushapoksi (89).
Muurahaishapon käytännön käyttöä maataloudessa on pohdittu ja tutkittu jo vuosia. Erityisesti muurahaishappoa voidaan käyttää lisäaineena eläinten rehuissa ja säilörehussa. Natriumformiaattia sekä kiinteässä että nestemäisessä muodossa pidetään turvallisena kaikille eläinlajeille, kuluttajille ja ympäristölle (90). Heidän arvionsa (90) perusteella enimmäispitoisuutta 10 000 mg muurahaishappoekvivalenttia/kg rehua pidettiin turvallisena kaikille eläinlajeille, kun taas enimmäispitoisuutta 12 000 mg muurahaishappoekvivalenttia/kg rehua pidettiin turvallisena sioille. Muurahaishapon käyttöä eläinten rehunparannusaineena on tutkittu jo vuosia. Sen katsotaan olevan kaupallista arvoa säilörehun säilöntäaineena ja antimikrobisena aineena eläinten ja siipikarjan rehuissa.
Kemialliset lisäaineet, kuten hapot, ovat aina olleet olennainen osa säilörehun tuotantoa ja rehun hallintaa (91, 92). Borreani ym. (91) totesivat, että korkealaatuisen säilörehun optimaalisen tuotannon saavuttamiseksi on välttämätöntä ylläpitää rehun laatua säilyttäen samalla mahdollisimman paljon kuiva-ainetta. Tällaisen optimoinnin tuloksena minimoidaan hävikit kaikissa säilörehun valmistusvaiheissa: siilon alkuperäisistä aerobisista olosuhteista myöhempään käymiseen, varastointiin ja siilon uudelleen avaamiseen ruokintaa varten. Peltosäilörehun tuotannon ja sitä seuraavan käymisen optimointiin tarkoitettuja erityismenetelmiä on käsitelty yksityiskohtaisesti muualla (91, 93-95), eikä niitä käsitellä tässä yksityiskohtaisesti. Suurin ongelma on hiivojen ja homeiden aiheuttama oksidatiivinen pilaantuminen, kun säilörehussa on happea (91, 92). Siksi on otettu käyttöön biologisia inokulantteja ja kemiallisia lisäaineita pilaantumisen haitallisten vaikutusten torjumiseksi (91, 92). Muita säilörehun lisäaineita koskevia huomioitavia toimenpiteitä ovat säilörehussa mahdollisesti esiintyvien taudinaiheuttajien (esim. patogeeninen E. coli, Listeria ja Salmonella) sekä mykotoksiineja tuottavien sienten leviämisen rajoittaminen (96–98).
Mack ym. (92) jakoivat happamat lisäaineet kahteen luokkaan. Hapot, kuten propioni-, etikka-, sorbiini- ja bentsoehapot, ylläpitävät säilörehun aerobista stabiiliutta märehtijöille syötettäessä rajoittamalla hiivojen ja homeiden kasvua (92). Mack ym. (92) erottivat muurahaishapon muista hapoista ja pitivät sitä suorana happamoittavana aineena, joka estää klostridiumeja ja pilaantumista aiheuttavia mikro-organismeja samalla kun se säilyttää säilörehun proteiinin eheyden. Käytännössä niiden suolamuodot ovat yleisimpiä kemiallisia muotoja, joilla vältetään happojen syövyttävät ominaisuudet ei-suolamuodossa (91). Monet tutkimusryhmät ovat myös tutkineet muurahaishappoa happamana lisäaineena säilörehussa. Muurahaishappo tunnetaan nopeasta happamoittavasta potentiaalistaan ​​ja sen estävästä vaikutuksesta haitallisten säilörehun mikro-organismien kasvuun, jotka vähentävät säilörehun proteiini- ja vesiliukoisten hiilihydraattien pitoisuutta (99). Siksi He ym. (92) vertasivat muurahaishappoa happamiin lisäaineisiin säilörehussa. (100) osoitti, että muurahaishappo kykeni estämään Escherichia coli -bakteeria ja alentamaan säilörehun pH-arvoa. Säilörehuun lisättiin myös muurahais- ja maitohappoa tuottavia bakteeriviljelmiä happamoitumisen ja orgaanisen hapon tuotannon stimuloimiseksi (101). Itse asiassa Cooley ym. (101) havaitsivat, että kun säilörehu happamoitiin 3 %:lla (w/v) muurahaishapolla, maito- ja muurahaishappojen tuotanto ylitti vastaavasti 800 ja 1000 mg orgaanista happoa/100 g näytettä. Mack ym. (92) tarkastelivat yksityiskohtaisesti säilörehun lisäaineita koskevaa tutkimuskirjallisuutta, mukaan lukien vuodesta 2000 lähtien julkaistut tutkimukset, jotka keskittyivät muurahaishappoon ja/tai sisälsivät niitä. Siksi tässä katsauksessa ei käsitellä yksittäisiä tutkimuksia yksityiskohtaisesti, vaan yksinkertaisesti esitetään yhteenveto joistakin keskeisistä näkökohdista muurahaishapon tehokkuudesta kemiallisena säilörehun lisäaineena. Sekä puskuroimatonta että puskuroitua muurahaishappoa on tutkittu, ja useimmissa tapauksissa Clostridium spp. Sen suhteelliset aktiivisuudet (hiilihydraattien, proteiinin ja laktaatin otto sekä butyraatin eritys) yleensä vähenevät, kun taas ammoniakin ja butyraatin tuotanto vähenee ja kuiva-aineen pidättyminen lisääntyy (92). Muurahaishapon tehokkuudessa on rajoituksia, mutta sen käyttö säilörehun lisäaineena yhdessä muiden happojen kanssa näyttää ratkaisevan osan näistä ongelmista (92).
Muurahaishappo voi estää patogeenisten bakteerien kasvua, jotka aiheuttavat riskin ihmisten terveydelle. Esimerkiksi Pauly ja Tam (102) inokuloivat pieniä laboratoriosiiloja L. monocytogenes -bakteerilla, joka sisälsi kolmea eri kuiva-ainepitoisuutta (200, 430 ja 540 g/kg) raiheinää, ja täydensivät niitä sitten muurahaishapolla (3 ml/kg) tai maitohappobakteereilla (8 × 105/g) ja sellulolyyttisillä entsyymeillä. He raportoivat, että molemmat käsittelyt vähensivät L. monocytogenes -bakteerin määrää havaitsemattomille tasoille matalan kuiva-ainepitoisuuden omaavassa säilörehussa (200 g/kg). Keskinkertaisen kuiva-ainepitoisuuden omaavassa säilörehussa (430 g/kg) L. monocytogenes oli kuitenkin edelleen havaittavissa 30 päivän kuluttua muurahaishapolla käsitellyssä säilörehussa. L. monocytogenes -bakteerin väheneminen näytti liittyvän alhaisempaan pH-arvoon, maitohappoon ja sitoutuneisiin dissosioitumattomiin happoihin. Esimerkiksi Pauly ja Tam (102) totesivat, että maitohappo ja yhdistetyt dissosioitumattomien happojen pitoisuudet olivat erityisen tärkeitä, mikä voi olla syy siihen, miksi L. monocytogenes -bakteerin vähenemistä ei havaittu muurahaishapolla käsitellyissä kasvualustoissa, jotka olivat peräisin korkeamman kuiva-ainepitoisuuden omaavista säilörehuista. Samanlaisia ​​tutkimuksia tulisi tehdä tulevaisuudessa muille yleisille säilörehun patogeeneille, kuten Salmonellalle ja patogeeniselle E. colille. Kattavampi 16S rDNA-sekvenssianalyysi koko säilörehun mikrobiyhteisöstä voi myös auttaa tunnistamaan muutoksia koko säilörehun mikrobipopulaatiossa, joita tapahtuu säilörehun käymisen eri vaiheissa muurahaishapon läsnä ollessa (103). Mikrobiomitietojen hankkiminen voi tarjota analyyttistä tukea säilörehun käymisen etenemisen paremmalle ennustamiselle ja optimaalisten lisäaineyhdistelmien kehittämiselle korkean rehun laadun ylläpitämiseksi.
Viljapohjaisissa eläinten rehuissa muurahaishappoa käytetään antimikrobisena aineena rajoittamaan patogeenipitoisuuksia erilaisissa viljapohjaisissa rehumatriiseissa sekä tietyissä rehun ainesosissa, kuten eläinperäisissä sivutuotteissa. Vaikutukset siipikarjan ja muiden eläinten patogeenipopulaatioihin voidaan jakaa karkeasti kahteen luokkaan: suorat vaikutukset itse rehun patogeenipopulaatioon ja epäsuorat vaikutukset patogeeneihin, jotka kolonisoivat eläinten ruoansulatuskanavaa käsitellyn rehun nauttimisen jälkeen (20, 21, 104). Nämä kaksi luokkaa ovat selvästi yhteydessä toisiinsa, sillä patogeenien vähenemisen rehussa pitäisi johtaa kolonisaation vähenemiseen, kun eläin nauttii rehua. Rehumatriisiin lisätyn tietyn hapon antimikrobisiin ominaisuuksiin voivat kuitenkin vaikuttaa useat tekijät, kuten rehun koostumus ja happolisäysmuoto (21, 105).
Historiallisesti muurahaishapon ja muiden samankaltaisten happojen käyttö on keskittynyt ensisijaisesti salmonellan suoraan torjuntaan eläinten ja siipikarjan rehuissa (21). Näiden tutkimusten tulokset on esitetty yksityiskohtaisesti useissa eri aikoina julkaistuissa katsauksissa (18, 21, 26, 47, 104–106), joten tässä katsauksessa käsitellään vain joitakin näiden tutkimusten keskeisiä havaintoja. Useat tutkimukset ovat osoittaneet, että muurahaishapon antimikrobinen vaikutus rehumatriiseissa riippuu muurahaishapolle altistumisen annoksesta ja ajasta, rehumatriisin kosteuspitoisuudesta sekä bakteeripitoisuudesta rehussa ja eläimen ruoansulatuskanavassa (19, 21, 107–109). Rehumatriisin tyyppi ja eläinten rehun ainesosien lähde ovat myös vaikuttavia tekijöitä. Siten useat tutkimukset ovat osoittaneet, että eläinperäisistä sivutuotteista eristettyjen bakteeritoksiinien salmonellapitoisuudet voivat poiketa kasviperäisistä sivutuotteista eristetyistä bakteeritoksiineista (39, 45, 58, 59, 110–112). Eroavaisuudet vasteessa happoihin, kuten muurahaishappoon, voivat kuitenkin liittyä serovarin selviytymisen eroihin ruokavaliossa ja lämpötilaan, jossa ruokavaliota käsitellään (19, 113, 114). Serovarin vasteen erot happokäsittelylle voivat myös olla tekijä siipikarjan kontaminaatiossa kontaminoituneella rehulla (113, 115), ja virulenssigeenien ilmentymisen erot (116) voivat myös vaikuttaa asiaan. Happosietokyvyn erot voivat puolestaan ​​vaikuttaa salmonellan havaitsemiseen viljelyalustassa, jos rehun kautta kulkeutuvia happoja ei ole puskuroitu riittävästi (21, 105, 117–122). Ruokavalion fysikaalinen muoto (hiukkaskoon suhteen) voi myös vaikuttaa muurahaishapon suhteelliseen saatavuuteen ruoansulatuskanavassa (123).
Myös rehuun lisättävän muurahaishapon antimikrobisen aktiivisuuden optimointistrategiat ovat ratkaisevan tärkeitä. Korkeampia happopitoisuuksia on ehdotettu erittäin kontaminoituneille rehuaineille ennen rehun sekoittamista, jotta rehutehtaan laitteille aiheutuisi mahdollisimman vähän vaurioita ja eläinten rehun maittavuusongelmia voidaan minimoida (105). Jones (51) totesi, että rehussa ennen kemiallista puhdistusta olevaa salmonellaa on vaikeampi hallita kuin rehun kanssa kemiallisen käsittelyn jälkeen kosketuksissa olevaa salmonellaa. Rehun lämpökäsittelyä rehutehtaalla tapahtuvan prosessoinnin aikana on ehdotettu toimenpiteeksi rehun salmonellakontaminaation rajoittamiseksi, mutta tämä riippuu rehun koostumuksesta, hiukkaskoosta ja muista jauhatusprosessiin liittyvistä tekijöistä (51). Happojen antimikrobinen aktiivisuus on myös lämpötilasta riippuvainen, ja korotetuilla lämpötiloilla orgaanisten happojen läsnä ollessa voi olla synergistinen estävä vaikutus salmonellaan, kuten on havaittu salmonellan nestemäisissä viljelmissä (124, 125). Useat salmonellan saastuttamia rehuja koskevat tutkimukset tukevat käsitystä, että korotetut lämpötilat lisäävät happojen tehokkuutta rehumatriisissa (106, 113, 126). Amado et al. (127) käytti keskeistä komposiittimenetelmää tutkiakseen lämpötilan ja hapon (muurahaishappo tai maitohappo) vuorovaikutusta kymmenessä Salmonella enterica- ja Escherichia coli -kannassa, jotka oli eristetty erilaisista karjanrehuista ja inokuloitu happamoituihin karjapelletteihin. He päättelivät, että lämpö oli hallitseva mikrobien vähenemiseen vaikuttava tekijä yhdessä hapon ja bakteeri-isolaatin tyypin kanssa. Synergistinen vaikutus hapon kanssa on edelleen vallitseva, joten voidaan käyttää alhaisempia lämpötiloja ja happopitoisuuksia. He kuitenkin totesivat myös, että synergistisiä vaikutuksia ei aina havaittu muurahaishappoa käytettäessä, minkä vuoksi he epäilivät, että muurahaishapon haihtuminen korkeammissa lämpötiloissa tai rehun matriisikomponenttien puskurointivaikutukset olivat vaikuttaneita tekijöitä.
Rehun säilyvyysajan rajoittaminen ennen eläinten ruokkimista on yksi tapa hallita elintarvikkeista peräisin olevien patogeenien pääsyä eläimen elimistöön ruokinnan aikana. Kun rehun happo on kuitenkin päässyt ruoansulatuskanavaan, se voi jatkaa antimikrobista vaikutustaan. Ulkoisesti annettujen happamien aineiden antimikrobinen vaikutus ruoansulatuskanavassa voi riippua useista tekijöistä, kuten mahahapon pitoisuudesta, ruoansulatuskanavan aktiivisesta kohdasta, ruoansulatuskanavan pH:sta ja happipitoisuudesta, eläimen iästä sekä ruoansulatuskanavan mikrobipopulaation suhteellisesta koostumuksesta (joka riippuu ruoansulatuskanavan sijainnista ja eläimen kypsyydestä) (21, 24, 128–132). Lisäksi ruoansulatuskanavassa oleva anaerobisten mikro-organismien populaatio (josta tulee hallitseva yksimahaisten eläinten alemmassa ruoansulatuskanavassa niiden kypsyessä) tuottaa aktiivisesti orgaanisia happoja käymisen kautta, millä puolestaan ​​voi olla antagonistinen vaikutus ruoansulatuskanavaan kulkeutuviin ohimeneviin patogeeneihin (17, 19–21).
Varhainen tutkimus keskittyi suuri osa orgaanisten happojen, mukaan lukien formiaatin, käyttöön salmonellan rajoittamiseksi siipikarjan ruoansulatuskanavassa, mitä on käsitelty yksityiskohtaisesti useissa katsauksissa (12, 20, 21). Kun näitä tutkimuksia tarkastellaan yhdessä, voidaan tehdä useita keskeisiä havaintoja. McHan ja Shotts (133) raportoivat, että muurahais- ja propionihapon syöttäminen vähensi Salmonella Typhimurium -bakteerin pitoisuuksia bakteereilla rokotettujen kanojen umpisuolessa ja määrittivät pitoisuudet 7, 14 ja 21 päivän iässä. Kuitenkin, kun Hume ym. (128) seurasivat C-14-leimattua propionaattia, he päättelivät, että hyvin pieni määrä propionaattia ruokavaliossa saattaa päästä umpisuoleen. On vielä selvitettävä, päteekö tämä myös muurahaishappoon. Bourassa ym. (134) kuitenkin äskettäin raportoivat, että muurahais- ja propionihapon syöttäminen vähensi Salmonella Typhimurium -bakteerin pitoisuuksia bakteereilla rokotettujen kanojen umpisuolessa, ja pitoisuudet määritettiin 7, 14 ja 21 päivän iässä. (132) totesi, että muurahaishapon syöttäminen 4 g/t annoksella broilerikanoille kuuden viikon kasvukauden aikana vähensi S. Typhimuriumin pitoisuutta umpisuolessa alle havaitsemisrajan.
Muurahaishapon esiintyminen ruokavaliossa voi vaikuttaa muihin siipikarjan ruoansulatuskanavan osiin. Al-Tarazi ja Alshavabkeh (134) osoittivat, että muurahaishapon ja propionihapon seos voi vähentää Salmonella pullorum (S. PRlorum) -kontaminaatiota sadossa ja umpisuolessa. Thompson ja Hinton (129) havaitsivat, että kaupallisesti saatavilla oleva muurahaishapon ja propionihapon seos lisäsi molempien happojen pitoisuuksia sadossa ja mahalaukussa ja oli bakterisidinen Salmonella Enteritidis PT4:ää vastaan ​​in vitro -mallissa edustavissa kasvatusolosuhteissa. Tätä käsitystä tukevat Birdin ym. (135) in vivo -tiedot, joissa he lisäsivät muurahaishappoa broilerikanojen juomaveteen simuloidun paastojakson aikana ennen kuljetusta, samalla tavalla kuin paastotut broilerikanot käyvät läpi ennen kuljetusta siipikarjan jalostuslaitokseen. Muurahaishapon lisääminen juomaveteen johti S. Typhimuriumin määrän vähenemiseen kasvustossa ja lisäkiveksissä sekä S. Typhimurium -positiivisten kasvustojen esiintymistiheyden vähenemiseen, mutta ei positiivisten lisäkivesten määrän vähenemiseen (135). Tehoa voidaan parantaa kehittämällä antojärjestelmiä, jotka suojaavat orgaanisia happoja niiden aktiivisuuden aikana ruoansulatuskanavan alaosassa. Esimerkiksi muurahaishapon mikrokapseloinnin ja lisäämisen rehuun on osoitettu vähentävän Salmonella Enteritidis -bakteerien määrää umpisuolen sisällössä (136). Tämä voi kuitenkin vaihdella eläinlajista riippuen. Esimerkiksi Walia ym. (137) eivät havainneet Salmonellan vähenemistä 28 päivän ikäisten sikojen umpisuolessa tai imusolmukkeissa, joille syötettiin muurahaishappo-, sitruunahappo- ja eteeristen öljyjen kapseliseosta, ja vaikka Salmonellan erittyminen ulosteeseen väheni päivänä 14, se ei vähentynyt päivänä 28. He osoittivat, että Salmonellan horisontaalinen siirtyminen sikojen välillä estyi.
Vaikka muurahaishapon käyttöä mikrobilääkkeenä kotieläintaloudessa on tutkittu pääasiassa elintarvikevälitteiseen salmonellaan, on tehty myös muita ruoansulatuskanavan patogeenejä koskevia tutkimuksia. Kovanda ym. (68) in vitro -tutkimukset viittaavat siihen, että muurahaishappo voi olla tehokas myös muita ruoansulatuskanavan elintarvikevälitteisiä patogeenejä, kuten Escherichia colia ja Campylobacter jejunia, vastaan. Aiemmat tutkimukset ovat osoittaneet, että orgaaniset hapot (esim. maitohappo) ja kaupalliset seokset, jotka sisältävät muurahaishappoa ainesosana, voivat vähentää Campylobacter-pitoisuuksia siipikarjassa (135, 138). Kuten Beyer ym. (67) ovat kuitenkin aiemmin todenneet, muurahaishapon käyttö mikrobilääkkeenä Campylobacteria vastaan ​​saattaa vaatia varovaisuutta. Tämä havainto on erityisen ongelmallinen siipikarjan ravinnonlisäyksen kannalta, koska muurahaishappo on C. jejunin ensisijainen hengitysenergianlähde. Lisäksi osan sen ruoansulatuskanavan lokerosta uskotaan johtuvan aineenvaihdunnasta ja ruoansulatuskanavan bakteerien tuottamien sekalaisten happokäymistuotteiden, kuten formiaatin (139), kanssa. Tällä näkemyksellä on jonkin verran pohjaa. Koska formiaatti on C. jejuni -bakteerin kemoattraktantti, kaksoismutanteilla, joilla on sekä formiaattidehydrogenaasin että hydrogenaasin puutteita, on broilerikanojen umpisuolen kolonisaationopeus pienempi verrattuna villityypin C. jejuni -kantoihin (140, 141). On edelleen epäselvää, missä määrin ulkoinen muurahaishappolisäys vaikuttaa C. jejunin kolonisaatioon ruoansulatuskanavassa kanoilla. Todelliset ruoansulatuskanavan formiaattipitoisuudet voivat olla alhaisemmat muiden ruoansulatuskanavan bakteerien aiheuttaman formiaatin katabolian tai formaatin imeytymisen vuoksi ylemmässä ruoansulatuskanavassa, joten useat muuttujat voivat vaikuttaa tähän. Lisäksi formiaatti on mahdollinen käymistuote, jota jotkut ruoansulatuskanavan bakteerit tuottavat, mikä voi vaikuttaa ruoansulatuskanavan formiaatin kokonaispitoisuuksiin. Formiaatin kvantifiointi ruoansulatuskanavan sisällössä ja formiaattidehydrogenaasigeenien tunnistaminen metagenomiikan avulla voivat valaista joitakin formiaattia tuottavien mikro-organismien ekologian näkökohtia.
Roth ym. (142) vertasivat broilerikanoille syötetyn enrofloksasiini-antibiootin tai muurahais-, etikka- ja propionihapposeoksen vaikutuksia antibiooteille resistentin Escherichia coli -bakteerin esiintyvyyteen. Kokonais- ja antibiooteille resistenttien E. coli -bakteerien määrä laskettiin 1 päivän ikäisten broilerikanojen yhdistetyistä ulostenäytteistä sekä 14 ja 38 päivän ikäisten broilerikanojen umpisuolinäytteistä. E. coli -isolaattien resistenssi ampisilliinille, kefotaksiimille, siprofloksasiinille, streptomysiinille, sulfametoksatsolille ja tetrasykliinille testattiin kullekin antibiootille aiemmin määritettyjen raja-arvojen mukaisesti. Kun E. coli -populaatiot kvantifioitiin ja karakterisoitiin, enrofloksasiini tai happosekoitus eivät muuttaneet 17 ja 28 päivän ikäisten broilerikanojen umpisuolesta eristettyjen E. coli -bakteerien kokonaismäärää. Enrofloksasiinilla täydennettyä ruokavaliota saaneilla linnuilla oli umpisuolessa kohonneita siprofloksasiini-, streptomysiini-, sulfametoksatsoli- ja tetrasykliiniresistenttien E. coli -bakteerien pitoisuuksia ja kefotaksiimiresistenttien E. coli -bakteerien pitoisuuksia. Cocktailia saaneilla linnuilla oli umpisuolessa vähemmän ampisilliini- ja tetrasykliiniresistenttien E. coli -bakteerien pitoisuuksia verrattuna kontrolliryhmään ja enrofloksasiinilla täydennettyä ruokavaliota saaneisiin lintuihin. Seoshappoa saaneilla linnuilla oli myös siprofloksasiini- ja sulfametoksatsoliresistenttien E. coli -bakteerien pitoisuuksia umpisuolessa vähemmän kuin enrofloksasiinia saaneilla lintuilla. Mekanismi, jolla hapot vähentävät antibiooteille resistenttien E. coli -bakteerien määrää vähentämättä E. coli -bakteerien kokonaismäärää, on edelleen epäselvä. Rothin ym. tutkimuksen tulokset ovat kuitenkin yhdenmukaisia ​​enrofloksasiiniryhmän tulosten kanssa. (142) Tämä voi olla merkki antibioottiresistenssigeenien, kuten Cabezonin ym. (143) kuvaamien plasmidisidottujen inhibiittorien, leviämisen vähenemisestä E. colissa. Olisi mielenkiintoista tehdä perusteellisempi analyysi plasmidivälitteisestä antibioottiresistenssistä siipikarjan ruoansulatuskanavan populaatiossa rehun lisäaineiden, kuten muurahaishapon, läsnä ollessa ja tarkentaa tätä analyysia edelleen arvioimalla ruoansulatuskanavan resistomia.
Optimaalisten antimikrobisten rehun lisäaineiden kehittämisen taudinaiheuttajia vastaan ​​tulisi ihanteellisessa tapauksessa vaikuttaa mahdollisimman vähän ruoansulatuskanavan koko flooraan, erityisesti siihen mikrobistoon, jota pidetään isännälle hyödyllisenä. Ulkoisesti annetuilla orgaanisilla hapoilla voi kuitenkin olla haitallisia vaikutuksia maha-suolikanavan mikrobistoon ja jossain määrin heikentää niiden suojaavia ominaisuuksia taudinaiheuttajia vastaan. Esimerkiksi Thompson ja Hinton (129) havaitsivat muurahais- ja propionihappojen seoksella ruokittujen munivien kanojen maitohappopitoisuuksien laskua, mikä viittaa siihen, että näiden ulkoisten orgaanisten happojen läsnäolo sadossa johti laktobasillien vähenemiseen. Laktobasillien katsotaan olevan este salmonellalle, ja siksi tämän kasvin sisäisen mikrobiston häiriintyminen voi olla haitallista salmonellan kolonisaation onnistuneelle vähentämiselle ruoansulatuskanavassa (144). Açıkgöz ym. havaitsivat, että lintujen vaikutukset alempaan ruoansulatuskanavaan voivat olla vähäisempiä. (145) 42 päivän ikäisten broilerikanojen suoliston kokonaisflooran tai Escherichia coli -määrien välillä ei havaittu eroja, kun ne joivat muurahaishapolla happamoitua vettä. Kirjoittajat ehdottivat, että tämä voi johtua formiaatin metaboloitumisesta ylemmässä ruoansulatuskanavassa, kuten muutkin tutkijat ovat havainneet eksogeenisesti annettujen lyhytketjuisten rasvahappojen (SCFA) yhteydessä (128, 129).
Muurahaishapon suojaaminen jonkinlaisella kapseloinnilla voi auttaa sitä pääsemään alempaan ruoansulatuskanavaan. (146) totesi, että mikrokapseloitu muurahaishappo lisäsi merkittävästi lyhytketjuisten rasvahappojen (SCFA) kokonaispitoisuutta sikojen umpisuolessa verrattuna suojaamattomalla muurahaishapolla ruokittuihin sikoihin. Tämä tulos sai kirjoittajat ehdottamaan, että muurahaishappo voi tehokkaasti päästä alempaan ruoansulatuskanavaan, jos se on asianmukaisesti suojattu. Useat muut parametrit, kuten formiaatti- ja laktaattipitoisuudet, vaikkakin korkeammat kuin kontrolliruokavaliolla ruokituilla sioilla, eivät kuitenkaan tilastollisesti eronneet suojaamattomalla formiaattiruokavaliolla ruokittujen sikojen pitoisuuksista. Vaikka sekä suojaamattomalla että suojatulla muurahaishapolla ruokittujen sikojen maitohappopitoisuus kasvoi lähes kolminkertaiseksi, kumpikaan käsittely ei muuttanut laktobasillin määrää. Erot voivat olla selvempiä muiden umpisuolen maitohappoa tuottavien mikro-organismien kohdalla (1), joita nämä menetelmät eivät havaitse ja/tai (2) joiden aineenvaihdunta-aktiivisuuteen vaikutetaan, mikä muuttaa käymismallia siten, että paikalliset laktobasillit tuottavat enemmän maitohappoa.
Rehun lisäaineiden vaikutusten tarkemmaksi tutkimiseksi tuotantoeläinten ruoansulatuskanavassa tarvitaan korkeamman resoluution mikrobien tunnistusmenetelmiä. Viime vuosina 16S RNA -geenin seuraavan sukupolven sekvensointia (NGS) on käytetty mikrobiomitaksonien tunnistamiseen ja mikrobiyhteisöjen monimuotoisuuden vertailuun (147), mikä on antanut paremman ymmärryksen ravintorehun lisäaineiden ja ruokaeläinten, kuten siipikarjan, ruoansulatuskanavan mikrobiotan välisistä vuorovaikutuksista.
Useissa tutkimuksissa on käytetty mikrobiomisekvensointia arvioimaan kanan maha-suolikanavan mikrobiomin vastetta formiaattilisälle. Oakley ym. (148) tekivät tutkimuksen 42 päivän ikäisillä broilerikanoilla, joille oli lisätty erilaisia ​​yhdistelmiä muurahaishappoa, propionihappoa ja keskipitkäketjuisia rasvahappoja juomavedessä tai rehussa. Immunisoidut kanat altistettiin nalidiksiinihapolle resistentille Salmonella typhimurium -kannalle, ja niiden umpisuoli poistettiin 0, 7, 21 ja 42 päivän iässä. Umpisuolinäytteet valmisteltiin 454 pyrosekvensointia varten, ja sekvensointituloksia arvioitiin luokittelua ja samankaltaisuusvertailua varten. Kaiken kaikkiaan käsittelyt eivät vaikuttaneet merkittävästi umpisuolen mikrobiomiin tai S. Typhimurium -pitoisuuksiin. Salmonellan havaitsemisaste kuitenkin laski lintujen ikääntyessä, kuten mikrobiomin taksonominen analyysi vahvisti, ja myös Salmonella-sekvenssien suhteellinen runsaus väheni ajan myötä. Kirjoittajat huomauttavat, että broilereiden ikääntyessä umpisuolen mikrobipopulaation monimuotoisuus lisääntyi, ja merkittävimmät muutokset havaittiin maha-suolikanavan bakteerifloorassa kaikissa hoitoryhmissä. Äskettäisessä tutkimuksessa Hu ym. (149) vertasi juomaveden ja orgaanisten happojen (muurahaishappo, etikkahappo, propionihappo ja ammoniumformiaatti) ja virginiamysiinin seoksella täydennettyn ​​ruokavalion vaikutuksia broilerikanojen umpisuolen mikrobiominäytteisiin, jotka oli kerätty kahdessa vaiheessa (1–21 päivää ja 22–42 päivää). Vaikka umpisuolen mikrobiomin monimuotoisuudessa havaittiin joitakin eroja hoitoryhmien välillä 21 päivän iässä, α- tai β-bakteerien monimuotoisuudessa ei havaittu eroja 42 päivän iässä. Koska eroja ei ollut 42 päivän iässä, kirjoittajat olettivat, että kasvuetu voi johtua optimaalisen monimuotoisen mikrobiomin aikaisemmasta muodostumisesta.
Mikrobiomianalyysi, joka keskittyy vain umpisuolen mikrobiyhteisöön, ei välttämättä heijasta sitä, missä ruoansulatuskanavassa suurin osa ravintoon liittyvien orgaanisten happojen vaikutuksista esiintyy. Broilerien ylemmän ruoansulatuskanavan mikrobiomi saattaa olla alttiimpi ravintoon liittyvien orgaanisten happojen vaikutuksille, kuten Hume ym. (128) tulokset viittaavat. Hume ym. (128) osoittivat, että suurin osa ulkoisesti lisätystä propionaatista imeytyi lintujen ylempään ruoansulatuskanavaan. Myös viimeaikaiset tutkimukset ruoansulatuskanavan mikro-organismien karakterisoinnista tukevat tätä näkemystä. Nava ym. (150) osoittivat, että orgaanisten happojen [DL-2-hydroksi-4(metyylitio)voihappo], muurahaishapon ja propionihapon (HFP) seoksen yhdistelmä vaikutti suoliston mikrobiotaan ja lisäsi Lactobacillus-kolonisaatiota kanojen sykkyräsuolessa. Äskettäin Goodarzi Borojeni ym. (150) osoitti, että orgaanisen happoseoksen [DL-2-hydroksi-4(metyylitio)voihappo], muurahaishapon ja propionihapon (HFP) yhdistelmä vaikutti suoliston mikrobiotaan ja lisäsi Lactobacillus-bakteerien kolonisaatiota kanojen sykänsuolessa. (151) tutki broilerikanojen ruokkimista muurahaishapon ja propionihapon seoksella kahdella pitoisuudella (0,75 % ja 1,50 %) 35 päivän ajan. Kokeen lopussa kylkiluista, mahalaukusta, sykänsuolen distaalisista kahdesta kolmasosasta ja umpisuolesta poistettiin näytteet, ja niistä otettiin näytteitä spesifisen maha-suolikanavan bakteerikannan ja metaboliittien kvantitatiivista analyysiä varten RT-PCR:llä. Viljelmässä orgaanisten happojen pitoisuus ei vaikuttanut Lactobacillus- tai Bifidobacterium-bakteerien runsauteen, mutta lisäsi Clostridium-bakteerikannan määrää. Sykänsuolessa ainoat muutokset olivat Lactobacillus- ja Enterobacter-bakteerien väheneminen, kun taas umpisuolessa nämä mikrobistot pysyivät muuttumattomina (151). Korkeimmalla orgaanisen hapon lisäyspitoisuudella maitohapon kokonaispitoisuus (D ja L) laski sadossa, molempien orgaanisten happojen pitoisuus laski mahalaukussa ja orgaanisten happojen pitoisuus oli alhaisempi umpisuolessa. Sykkyräsuolessa ei havaittu muutoksia. Lyhytketjuisten rasvahappojen (SCFA) osalta ainoa muutos orgaanisilla hapoilla ruokittujen lintujen sadossa ja mahalaukussa oli propionaattipitoisuus. Alhaisemmalla orgaanisen hapon pitoisuudella ruokittujen lintujen propionaattipitoisuus kasvoi lähes kymmenkertaiseksi, kun taas molemmilla orgaanisen hapon pitoisuuksilla ruokittujen lintujen propionaattipitoisuus kasvoi vastaavasti kahdeksan- ja viisitoistakertaiseksi. Asetaatin lisääntyminen sykkyräsuolessa oli alle kaksinkertainen. Kaiken kaikkiaan nämä tiedot tukevat näkemystä, että useimmat ulkoisen orgaanisen hapon käytön vaikutukset näkyivät sadossa, kun taas orgaanisilla hapoilla oli minimaaliset vaikutukset alemman ruoansulatuskanavan mikrobiyhteisöön, mikä viittaa siihen, että ylemmän ruoansulatuskanavan mikrobiston käymismallit ovat saattaneet muuttua.
On selvää, että mikrobiomin perusteellisempi karakterisointi on tarpeen, jotta voidaan täysin selvittää mikrobien vasteet formiaatille koko ruoansulatuskanavassa. Tarkempi analyysi tiettyjen ruoansulatuskanavan osastojen, erityisesti ylempien osastojen, kuten sadon, mikrobien taksonomiasta voi antaa lisätietoja tiettyjen mikro-organismiryhmien valinnasta. Niiden metabolinen ja entsymaattinen aktiivisuus voi myös määrittää, onko niillä antagonistinen suhde ruoansulatuskanavaan tuleviin taudinaiheuttajiin. Olisi myös mielenkiintoista tehdä metagenomisia analyysejä sen selvittämiseksi, valikoiko altistuminen happamille kemiallisille lisäaineille lintujen elinaikana enemmän "happoa sietäviä" bakteereja, ja muodostaisiko näiden bakteerien läsnäolo ja/tai metabolinen aktiivisuus lisäesteen taudinaiheuttajien kolonisaatiolle.
Muurahaishappoa on käytetty useita vuosia kemiallisena lisäaineena eläinten rehuissa ja säilörehun happamoittajana. Yksi sen pääkäyttötarkoituksista on sen antimikrobinen vaikutus, jolla rajoitetaan patogeenien määrää rehussa ja niiden myöhempää kolonisaatiota lintujen ruoansulatuskanavassa. In vitro -tutkimukset ovat osoittaneet, että muurahaishappo on suhteellisen tehokas antimikrobinen aine salmonellaa ja muita patogeenejä vastaan. Muurahaishapon käyttöä rehumatriiseissa voi kuitenkin rajoittaa rehun ainesosien suuri orgaanisen aineksen määrä ja niiden mahdollinen puskurointikyky. Muurahaishapolla näyttää olevan antagonistinen vaikutus salmonellaan ja muihin patogeeneihin, kun sitä nautitaan rehun tai juomaveden kautta. Tämä antagonismi esiintyy kuitenkin pääasiassa ylemmässä ruoansulatuskanavassa, koska muurahaishappopitoisuudet voivat pienentyä alemmassa ruoansulatuskanavassa, kuten propionihapon tapauksessa. Muurahaishapon suojaaminen kapseloimalla tarjoaa mahdollisen lähestymistavan suuremman hapon toimittamiseksi alempaan ruoansulatuskanavaan. Lisäksi tutkimukset ovat osoittaneet, että orgaanisten happojen seos on tehokkaampi siipikarjan suorituskyvyn parantamisessa kuin yhden hapon antaminen (152). Ruoansulatuskanavassa olevat kampylobakteerit saattavat reagoida formiaattiin eri tavoin, koska ne voivat käyttää formiaattia elektronidonorina ja formiaatti on niiden tärkein energianlähde. On epäselvää, olisiko formiaattipitoisuuksien lisääminen ruoansulatuskanavassa hyödyllistä kampylobakteerille, eikä tätä välttämättä tapahdukaan riippuen muista ruoansulatuskanavan bakteerikannoista, jotka voivat käyttää formiaattia substraattina.
Lisätutkimuksia tarvitaan tutkimaan maha-suolikanavan muurahaishapon vaikutuksia ei-patogeenisiin maha-suolikanavan mikrobeihin. Mieluummin kohdistamme taudinaiheuttajat valikoivasti häiritsemättä isännälle hyödyllisiä maha-suolikanavan mikrobiomin jäseniä. Tämä vaatii kuitenkin näiden maha-suolikanavan mikrobiyhteisöjen mikrobistosekvenssin perusteellisempaa analyysiä. Vaikka muurahaishapolla käsiteltyjen lintujen umpisuolen mikrobiomista on julkaistu joitakin tutkimuksia, ylemmän maha-suolikanavan mikrobiyhteisöön on kiinnitettävä enemmän huomiota. Mikro-organismien tunnistaminen ja maha-suolikanavan mikrobiyhteisöjen samankaltaisuuksien vertailu muurahaishapon läsnä ollessa tai puuttuessa voi olla epätäydellinen kuvaus. Lisäanalyysejä, mukaan lukien metabolomiikka ja metagenomiikka, tarvitaan koostumukseltaan samankaltaisten ryhmien toiminnallisten erojen karakterisoimiseksi. Tällainen karakterisointi on ratkaisevan tärkeää maha-suolikanavan mikrobiyhteisön ja lintujen suorituskykyvasteiden välisen suhteen selvittämiseksi muurahaishappopohjaisille parannusaineille. Useiden lähestymistapojen yhdistäminen maha-suolikanavan toiminnan tarkemmaksi karakterisoimiseksi mahdollistaisi tehokkaampien orgaanisten happojen lisäysstrategioiden kehittämisen ja lopulta parantaisi ennusteita lintujen optimaalisesta terveydestä ja suorituskyvystä samalla, kun elintarviketurvallisuusriskejä rajoitetaan.
SR kirjoitti tämän katsauksen DD:n ja KR:n avustuksella. Kaikki kirjoittajat antoivat merkittävän panoksen tässä katsauksessa esitettyyn työhön.
Kirjoittajat ilmoittavat, että Anitox Corporation on rahoittanut tämän katsauksen kirjoittamisen ja julkaisemisen. Rahoittajilla ei ollut vaikutusta tässä katsausartikkelissa esitettyihin näkemyksiin ja johtopäätöksiin tai sen julkaisemispäätökseen.
Loput kirjoittajat toteavat, että tutkimus tehtiin ilman kaupallisia tai taloudellisia suhteita, joita voitaisiin tulkita mahdolliseksi eturistiriidaksi.
Tri DD haluaa kiittää Arkansasin yliopiston jatko-opinto-ohjelmaa saamastaan ​​tuesta Distinguished Teaching Fellowship -apurahan kautta sekä Arkansasin yliopiston solu- ja molekyylibiologian ohjelman ja elintarviketieteiden laitoksen jatkuvaa tukea. Lisäksi kirjoittajat haluavat kiittää Anitoxia alkuperäisestä tuesta tämän katsauksen kirjoittamisessa.
1. Dibner JJ, Richards JD. Antibioottisten kasvunedistäjien käyttö maataloudessa: historia ja vaikutusmekanismit. Poultry Science (2005) 84:634–43. doi: 10.1093/ps/84.4.634
2. Jones FT, Rick SC. Mikrobilääkkeiden kehittämisen ja valvonnan historia siipikarjan rehussa. Poultry Science (2003) 82:613–7. doi: 10.1093/ps/82.4.613
3. Broom LJ. Antibioottisten kasvunedistäjien subinhibitorinen teoria. Poultry Science (2017) 96:3104–5. doi: 10.3382/ps/pex114
4. Sorum H, L'Abe-Lund TM. Antibioottiresistenssi ruokaperäisissä bakteereissa – bakteerien globaalien geneettisten verkostojen häiriöiden seuraukset. International Journal of Food Microbiology (2002) 78:43–56. doi: 10.1016/S0168-1605(02)00241-6
5. Van Immerseel F, Cauwaerts K, Devriese LA, Heesebroek F, Ducatel R. Rehun lisäaineet salmonellan torjuntaan rehussa. World Journal of Poultry Science (2002) 58:501–13. doi: 10.1079/WPS20020036
6. Angulo FJ, Baker NL, Olsen SJ, Anderson A, Barrett TJ. Mikrobilääkkeiden käyttö maataloudessa: mikrobilääkeresistenssin siirtymisen hallinta ihmisiin. Seminars in Pediatric Infectious Diseases (2004) 15:78–85. doi: 10.1053/j.spid.2004.01.010
7. Lekshmi M, Ammini P, Kumar S, Varela MF. Elintarviketuotantoympäristöt ja mikrobilääkeresistenssin kehitys eläinperäisissä ihmispatogeeneissä. Microbiology (2017) 5:11. doi: 10.3390/microorganisms5010011
8. Lourenço JM, Seidel DS, Callaway TR. Luku 9: Antibiootit ja suoliston toiminta: historia ja nykytila. Teoksessa: Ricke SC, toim. Siipikarjan suoliston terveyden parantaminen. Cambridge: Burley Dodd (2020). Sivut 189–204. DOI: 10.19103/AS2019.0059.10
9. Rick SC. Nro 8: Rehuhygienia. Julkaisussa: Dewulf J, van Immerzeel F, toim. Bioturvallisuus eläintuotannossa ja eläinlääketieteessä. Leuven: ACCO (2017). Sivut 144-76.