Дмитрий Рудой и Лариса Карпенко о развитии аквакультуры и птицеводства

Развитие аквакультуры и птицеводства неразрывно связано с использованием новейших биотехнологий и научными достижениями в изучении водных ресурсов. Исследователи работают в разных направлениях, например создают пробиотические препараты на основе генетических данных и повышают эффективность кормов добавками из водорослей. Эксперты полагают, что в России эти отрасли сельского хозяйства следуют ключевым мировым трендам к объединению научных методов, информатизации процессов и применению искусственного интеллекта. Об исследованиях, направленных на развитие кормопроизводства, рассказывают Дмитрий Рудой, доктор технических наук, декан факультета «Агропромышленный» Донского государственного технического университета и Лариса Карпенко, доктор биологических наук, профессор, заведующий кафедрой биохимии и физиологии Санкт-Петербургского государственного университета ветеринарной медицины.

Поделиться

// Дмитрий Рудой: «Сегодня отрасль движется к персонализированной молекулярной аквакультуре»

В области агробиотехнологий за последние пять лет произошел научно-технологический прорыв, ставший толчком для развития сферы аквакультуры. Значительный прогресс достигнут в создании растений-биофабрик — трансгенных растений, способных производить ценные белки-иммуномодуляторы для животных. Это открывает новые перспективы в животноводстве и кормопроизводстве. Активное внедрение управляемого светодиодного освещения в условиях вертикального фермерства (агробиофотоника) позволяет собирать несколько урожаев в год и ускорять циклы размножения сельскохозяйственных культур. Совершенствуются методы генетической паспортизации и сертификации семян, животных и объектов аквакультуры, создаются биопрепараты для защиты от бактерий и патогенных грибов, фаготерапевтические и иммунобиологические препараты для ветеринарии, что повышает устойчивость и экологичность сельхозпроизводства. 

Именно это и повлияло на вектор моих исследований. Мы стали создавать синбиотические препараты для аквакультуры на основе молекулярно-генетического подхода, то есть добавки, сочетающие полезные бактерии (пробиотики) и вещества, способствующие их росту (пребиотики).

Исследовательский коллектив. Источник: информационная служба факультета «Агропромышленный» ДГТУ

За последние годы произошли значимые изменения в области молекулярно-биологических методов и подходов в разработке пробиотических препаратов для аквакультуры. Ключевым стал переход к пробиогеномике — интеграции геномных технологий с разработкой пробиотиков. Внедрение новых методов прочтения генов позволило получать данные о сообществе микроорганизмов в кишечнике рыб — микробиоме — в короткие сроки, вплоть до наблюдений в режиме реального времени непосредственно на рыбоводческих хозяйствах. При помощи комплексного подхода мы установили, что эффективность пробиотиков достигается не отдельными штаммами, а микробными консорциумами. Развитие геномики отдельных штаммов позволило конструировать мультиштаммовые композиции с дополняющими друг друга генами. Именно этим мы занимаемся в нашем проекте, поддержанном Фондом.

Методом РНК-анализа мы идентифицировали 12 новых штаммов пробиотических бактерий, полученных из естественных мест обитания водных организмов. Мы посмотрели, какие гены отвечают за синтез полезных соединений, и отобрали штаммы и их комбинации для конкретных видов рыб разных возрастов и типов питания.

Затем наш коллектив разработал методики совместного культивирования пробиотических бактерий и технологии сушки препаратов. Тестируемые штаммы проверили в условиях, приближенных к реальному производству, и получили уникальные данные. Они говорят о существенном экономическом эффекте биопрепаратов при их интеграции в производство: растет выживаемость и скорость роста рыб, сокращается расход кормов.

Малек стерляди в лаборатории. Источник: информационная служба факультета «Агропромышленный» ДГТУ

Мы разместили геномы бактерий, перспективные для сельского хозяйства, в международных базах данных генетической информации: 11 пробиотических штаммов Bacillus velezensis и 2 штамма Bacillus subtilis, выделенных из донных отложений реки Дон.

Мы всесторонне посмотрели, как пробиотики действуют на животных. Методами РНК-секвенирования описали изменения в активности 244 генов в печени, мозге и жабрах стерляди, получавшей пробиотические препараты. Прежде всего нам был интересен контекст противовоспалительного и иммуномодулирующего действия добавки. Чтобы исследовать антиоксидантные свойства пробиотиков, мы разработали модель, вызывающую состояние повышенного окисления клеток у рыбок Danio rerio. Бактериальный биосенсор показал нужный эффект в различных тканях. Затем эти данные подтвердились на форели и стерляди.

Наконец, методом метагеномного анализа кишечной микробиоты мальков и молоди стерляди подтверждено влияние пробиотических препаратов на формирование микробиоты рыб.

Сегодня наша отрасль движется к персонализированной молекулярной аквакультуре. Во-первых, развиваются системы мониторинга микробиома в реальном времени. Они позволяют менять пробиотические программы на основе транскриптомных данных — информации обо всех РНК-молекулах клетки, показывающих активность генов в определенный момент времени. 

Исследование влияния разработанных добавок на рыбу. Источник: информационная служба факультета «Агропромышленный» ДГТУ

Во-вторых, в ближайшие 5–10 лет ожидается полная автоматизация селекции штаммов через интегрированные in silico-in vitro-in vivo платформы. Разработка пробиотиков для аквакультуры уже сочетает вычислительный анализ, лабораторные исследования и испытания на животных как в лабораторных, так и в промышленных условиях. Отрасль следует ключевым мировым трендам к объединению научных методов, информатизации процессов и применению искусственного интеллекта. Все это ускоряет разработку и внедрение пробиотиков для аквакультуры и скоро позволит создать полностью интегрированные решения.

В-третьих, прогнозируется переход к микробным консорциумам, разработанным под конкретные виды рыб и условия их выращивания. Кроме того, предстоит создание рационально-спроектированных синбиотиков с пребиотическими добавками, выбранными и синтезируемыми на основе детального изучения генов нужных штаммов бактерий. К 2030 году ожидается возникновение полностью автономных систем аквакультуры с непрерывным молекулярно-биологическим мониторингом и использование предсказательного транскриптомного моделирования для адаптивной коррекции пробиотической и синбиотической терапии.

Основной индустриальный партнер нашего проекта — полносистемное рыбоводное предприятие ООО «Прибой», которое заинтересовано в интеграции передовых научных решений в практику реального производства. На протяжении всей работы мы ощущаем искреннюю поддержку и уверенность в успехе наших исследований, что служит важным стимулом для научной группы. Мы убеждены, что совместными усилиями сможем вывести отечественную аквакультуру на новый уровень развития.

// Лариса Карпенко: «Использование водорослей в качестве добавок позволяет реализовать генетический потенциал птицы без увеличения объема корма»

Эффективность любой отрасли животноводства, в частности птицеводства, требует стабильного развития кормопроизводства, обеспечивающего отрасль кормами, которые полностью отвечают потребностям животных, а также увеличивают темпы сельхозпроизводства. Водные ресурсы — незаменимый источник различных биологически активных веществ. К ним относятся водоросли и сапропель — донные отложения пресноводных водоемов, ценные источники биологически активных веществ, минералов, витаминов и белков, необходимых для полноценного питания птицы. Органические формы минералов, содержащихся в этих ресурсах, обладают высокой биодоступностью: они лучше усваиваются организмом, не образуют нерастворимых комплексов в ЖКТ и защищены от взаимодействия с антинутриентами, например фитатами. Это позволяет снижать дозировки добавок в рационе, уменьшать затраты и повышать продуктивность животных.

Слева направо: доцент Алеся Бахта, доцент Полина Полистовская, заведующая кафедрой Лариса Карпенко и аспирант Илья Махнин. Источник: авторы исследования 

Особое внимание уделяется таким водорослям, как хлорелла и бурые фукусовые (Ascophyllum nodosum, Fucus vesiculosus). Хлорелла богата белком, аминокислотами, витаминами и ненасыщенными жирными кислотами. Ее применение в виде суспензии улучшает пищеварение, укрепляет иммунитет, повышает яйценоскость и качество яиц за счет увеличения содержания каротиноидов. Бурые водоросли в экологически чистых зонах, например в Соловецком архипелаге, быстро восстанавливаются в приливно-отливной зоне и содержат йод, антиоксиданты, клетчатку и полисахариды. Их использование не только улучшает здоровье птицы и качество продукции, но и снижает выбросы метана у жвачных, что важно для борьбы с изменением климата.

В последние десятилетия в российском птицеводстве произошли системные изменения. Созданы отечественные кроссы, или гибриды, кур — «Смена-9», «Русь», «Сибиряк» и другие, по продуктивности не уступающие зарубежным аналогам. Разработаны стандарты кормления по обменной энергии и сырому протеину, внедрена система сухого кормления, созданы клеточные батареи, световые режимы на основе LED-освещения, методы принудительной линьки. Отказ от хлорной обработки тушек, разработка рецептур детского и органического питания, выпуск отечественных вакцин, включая первую вакцину против болезни Марека, — все это стало возможным благодаря научным исследованиям.

Курица-несушка. Источник: авторы исследования

Современный подход к кормлению опирается на нутригеномику — науку о взаимодействии питания и генов. Исследования показывают, что состав рациона влияет на экспрессию генов продуктивности и иммунитета, а также на микробиом кишечника. Например, дефицит незаменимых аминокислот усиливает воспалительные реакции в кишечнике. Это стимулирует поиск альтернатив антибиотикам — пробиотиков и фитобиотиков, в том числе на основе морских водорослей. Их компоненты обладают противомикробным, противовоспалительным, иммуномодулирующим и ростостимулирующим действием, позволяя получать экологически чистую продукцию.

При поддержке РНФ совместно с БФУ имени И. Канта мы выделили и изучили фракции из бурых водорослей Белого моря: полисахариды, липиды, белки и полифенолы. Впервые определен их компонентный состав, физико-химические свойства и пространственная конфигурация. В лабораторных условиях мы установили, что полифенольные фракции обладают выраженной антиоксидантной и фунгицидной активностью, а большинство фракций — антибактериальной. Полисахариды из водоросли F. vesiculosus проявили слабое противоопухолевое действие, вероятно, за счет фукоиданов. Полисахариды и полифенолы снижали провоспалительные цитокины.

Водоросли Белого моря. Куры-несушки. Источник: авторы исследования 

Исследования на цыплятах-бройлерах и курах-несушках показали, что добавки не токсичны, улучшают усвоение железа и белкового азота, активируют гликолитические ферменты и снижают щелочную фосфатазу за счет нормализации микробиома. Наибольший прирост мышечной массы у бройлеров дало применение полисахаридов, липидов и белков. Обе фракции усилили врожденный иммунитет: повысили фагоцитоз, бактерицидную и лизоцимную активность. Также отмечено усиление иммунного ответа на вакцины против болезней Ньюкасла и Гамборо.

Таким образом, использование фракций водорослей позволяет реализовать генетический потенциал птицы без увеличения объема корма — за счет оптимизации обменных процессов, укрепления иммунитета и повышения сохранности и продуктивности животных.

Сегодня промышленное птицеводство развивается за счет технологического оснащения, автоматизации, интеграции в агрохолдинги и фокуса на качестве и безопасности продукции. В ближайшие 5–10 лет ожидается дальнейшее внедрение цифровых технологий (мониторинг состояния птицы, ИИ в управлении производством), повышение заботы об окружающей среде и развитие зеленых кормовых добавок, укрепление мер биобезопасности. Кроме того, ожидается усиление специализации на определенных видах птицы (куры, индейки, водоплавающие) и продуктах (мясо, яйца), а также развитие экзотических направлений, таких как перепелиное или страусиное птицеводство.

Ключевым направлением останется поиск натуральных, эффективных и безопасных компонентов кормов, а водные ресурсы, особенно морские водоросли, займут здесь центральное место.