Ферментированная рапсовая мука снижает риск повреждения кишечника и печени за счет модуляции микробиоты кишечника и активации аутофагии у карпа кои

Рапсовый шрот традиционно ценится в аквакультуре как перспективный растительный источник белка. Содержание сырого протеина в нем варьируется от 35% до 45%, а аминокислотный профиль делает его привлекательной альтернативой рыбной муке. Однако широкому внедрению этого ингредиента в корма для рыб препятствует присутствие антипитательных веществ: некрахмалистых полисахаридов, глюкозинолатов, фитиновой кислоты и дубильных веществ. Как правило, доля рапсового шрота в рационе гидробионтов не превышает 15–25%, так как увеличение этого показателя до 30–40% может вызывать замедление темпов роста и серьезные нарушения функции печени.

В поисках решения этой проблемы ученые обратились к технологии ферментации. Предварительная обработка растительного сырья микроорганизмами позволяет расщепить сложные макромолекулы до более биодоступных форм и существенно снизить уровень антипитательных факторов. В рамках представленного исследования ферментация рапсового шрота с использованием штамма Bacillus subtilis X4 привела к значительному улучшению его питательного профиля. Содержание глюкозинолатов, которые являются одним из основных лимитирующих факторов, снизилось с 20,61 до 13,14 мкмоль/г. Предыдущие работы на других видах рыб подтвердили, что такой ферментированный продукт способен заменять до 56% белка рыбной муки без негативных последствий для роста и метаболизма, что открывает новые горизонты в разработке эффективных и безопасных кормов.

Особый интерес представляет взаимодействие кормовых компонентов с кишечной микробиотой. Микробное сообщество кишечника играет ключевую роль в метаболизме питательных веществ, иммунной регуляции и защите от патогенов. Известно, что избыток определенных соединений в корме может нарушать микробный гомеостаз, что приводит к ухудшению здоровья рыбы. Однако вопрос о том, способна ли ферментированная рапсовая мука смягчать негативное воздействие исходного шрота через модуляцию микробиоты и связанные с ней клеточные процессы, остается открытым. Для ответа на этот вопрос было проведено исследование на карпах кои — виде, имеющем высокую экономическую ценность и являющемся удобной моделью благодаря сходству физиологии пищеварения с другими карповыми.

Дизайн эксперимента и влияние на продуктивность

В ходе 6-недельного эксперимента здоровые особи карпа кои были разделены на три группы. Контрольная группа получала корм на основе соевого шрота. Две экспериментальные группы вместо соевого компонента получали корма, содержащие либо необработанный рапсовый шрот, либо рапсовый шрот, ферментированный Bacillus subtilis X4. Важно отметить, что выживаемость рыб во всех группах составила 100%, что свидетельствует об отсутствии летальной токсичности исследуемых рационов.

Тем не менее, анализ показателей роста выявил определенные последствия. У рыб, потреблявших как необработанный, так и ферментированный шрот, наблюдалось статистически значимое снижение прироста массы тела и удельной скорости роста по сравнению с контрольной группой на соевом рационе. Коэффициент конверсии корма в группе, получавшей ферментированный продукт, оказался выше. Полученные данные показывают, что, хотя ферментация и улучшает качество сырья, она не позволяет полностью нивелировать эффект замедления роста, связанный с высоким (около 30%) содержанием шрота в рационе. Ученые полагают, что это связано с остаточным количеством некрахмалистых полисахаридов, которые, концентрируясь в процессе ферментации, могут приближаться к физиологическому порогу толерантности организма рыбы.

Биохимические и морфологические признаки защиты органов

Для оценки физиологического состояния рыб были проанализированы биохимические показатели сыворотки крови. В группах, получавших рапсовый шрот (как обработанный, так и необработанный), уровень антиоксидантных ферментов — супероксиддисмутазы, каталазы и глутатионпероксидазы — оказался достоверно ниже, чем в контрольной группе. Одновременно с этим наблюдалось повышение уровня малонового диальдегида, маркера окислительного стресса. Кроме того, у этих рыб была повышена активность аспартатаминотрансферазы, что указывает на определенную нагрузку на печеночную ткань. Однако уровень аланинаминотрансферазы оставался неизменным, что говорит о том, что, несмотря на стресс, тяжелых острых повреждений гепатоцитов удалось избежать.

Наиболее наглядные различия между группами проявились при гистологическом и ультраструктурном анализе тканей. У рыб, получавших стандартный соевый корм, кишечные ворсинки имели правильную структуру и четкую организацию. В группах, где использовался рапсовый шрот, иногда наблюдались отек и утолщение железистых тканей. Однако ключевым открытием стало то, что ферментированный шрот способствовал уменьшению глубины крипт по сравнению с группой, получавшей необработанный продукт. Сканирующая электронная микроскопия дополнила эту картину, показав, что плотность микроворсинок в кишечнике рыб, получавших ферментированный корм, была выше, чем в группе с обычным рапсовым шротом. Это указывает на улучшение всасывательной поверхности кишечника.

Еще более драматичными оказались изменения в печени. У рыб на диете с необработанным рапсовым шротом наблюдалась серьезная дезорганизация структуры печеночных долек, выраженная вакуольная дегенерация гепатоцитов (накопление жировых включений), расширение синусоидов и инфильтрация воспалительными клетками. Напротив, у рыб, потреблявших ферментированный продукт, печеночная ткань выглядела значительно лучше: дольки были расположены упорядоченно, а гепатоциты сохраняли нормальную морфологию, хотя и отмечались незначительные признаки застойных явлений. Это свидетельствует о том, что ферментация позволяет существенно снизить гепатотоксическое действие исходного сырья.

Модуляция микробиоты кишечника

Анализ состава кишечной микробиоты позволил пролить свет на механизмы наблюдаемых эффектов. На уровне типов сообщество бактерий у карпов кои было представлено в основном Desulfobacterota, Proteobacteria, Fusobacteriota и Firmicutes. При этом в группах, получавших рапсовый шрот, доминировали Desulfobacterota, тогда как в контрольной группе преобладали Proteobacteria. Интересно, что именно в группе с ферментированным шротом была отмечена самая высокая относительная численность Fusobacteriota, в частности рода Cetobacterium.

Cetobacterium играет важную роль в поддержании здоровья кишечника. Его метаболит — ацетат — способен регулировать метаболизм глюкозы и укреплять барьерную функцию кишечника, а также влиять на липидный обмен в печени через портальную вену. Короткоцепочечные жирные кислоты, продуцируемые этими бактериями, активируют сигнальные пути, подавляющие липогенез и стимулирующие окисление жирных кислот, что объясняет меньшую степень жировой дистрофии печени у рыб на ферментированном корме.

Анализ с использованием метода LEfSe, позволяющего выявить статистически значимые биомаркеры, показал, что группа Ruminococcus torques была ассоциирована именно с рационом, содержащим ферментированный шрот. R. torques относится к муцин-расщепляющим бактериям. Умеренная активность этих микроорганизмов способствует обновлению слизистого слоя и высвобождению олигосахаридов, которые используются другими полезными симбионтами для выработки короткоцепочечных жирных кислот. Хотя роль R. torques у водных организмов изучена недостаточно, ее увеличение в ответ на добавление ферментированного продукта является новым и многообещающим наблюдением, указывающим на формирование более здорового микробного сообщества.

Аутофагия как механизм клеточной защиты

Транскриптомный анализ тканей кишечника и печени выявил, что ключевым звеном в защитном действии ферментированного шрота является активация сигнальных путей, связанных с аутофагией. Аутофагия — это фундаментальный процесс клеточного «самопоедания», необходимый для удаления поврежденных органелл и поддержания гомеостаза.

В ходе исследования было установлено, что в кишечнике рыб, получавших как обычный, так и ферментированный шрот, значительно возрастала экспрессия гена foxo3a — ключевого регулятора аутофагии, а также генов *lc3-I* и *lc3-II*, которые непосредственно участвуют в формировании аутофагосом. Особенно выраженный рост экспрессии *lc3-II* был отмечен именно в группе с ферментированным кормом. В печени картина была иной: экспрессия foxo3a повышалась только при использовании необработанного шрота, в то время как уровень *lc3-I* в обеих экспериментальных группах был снижен.

Эти разнонаправленные изменения подчеркивают сложность регуляции аутофагии. Корреляционный анализ связал изменения в микробиоме с экспрессией генов аутофагии. Было обнаружено, что Ruminococcus torques положительно коррелирует с уровнем экспрессии *lc3-II* в кишечнике. Это позволяет предположить, что обогащение микробиоты полезными бактериями при добавлении ферментированного шрота стимулирует аутофагию в эпителии кишечника, усиливая его барьерную функцию и защищая от повреждений, вызванных антипитательными веществами.

В печени активация аутофагии (липофагии) под действием метаболитов измененной микробиоты способствует расщеплению липидных капель, что объясняет значительно меньшую степень вакуольной дегенерации гепатоцитов в группе FRSM по сравнению с группой RSM. Таким образом, кишечная микробиота выступает в роли посредника, передающего сигнал от корма к клеткам хозяина и модулирующего защитные механизмы.

Заключение

Проведенное исследование демонстрирует, что ферментация рапсового шрота с использованием Bacillus subtilis X4 позволяет существенно снизить его негативное воздействие на организм рыб. Несмотря на то, что показатели роста в группах, получавших высокие дозы шрота (около 30%), оставались ниже контрольных значений, ферментированный продукт обеспечил выраженную защиту тканей кишечника и печени.

Защитный эффект реализуется через комплексное взаимодействие по оси «кишечник — печень». Во-первых, ферментация снижает содержание глюкозинолатов и модулирует состав микробиоты, способствуя обогащению полезными таксонами, такими как Ruminococcus torques и Cetobacterium, которые поддерживают целостность слизистого барьера и регулируют липидный обмен. Во-вторых, изменения в микробном сообществе сопряжены с активацией сигнальных путей аутофагии в кишечнике и печени, что помогает клеткам справляться с окислительным стрессом и предотвращает накопление липидов в гепатоцитах.

Полученные результаты открывают новые перспективы для использования ферментированного рапсового шрота в аквакультуре. Они подчеркивают, что оценка качества кормов должна включать не только анализ продуктивности, но и глубокое изучение микробиома и молекулярных механизмов клеточной защиты. Дальнейшие исследования должны быть направлены на оптимизацию уровня включения ферментированного шрота в рационы разных видов рыб и изучение долгосрочных эффектов такого кормления.

Источник: Aquaculture Nutrition