Диетический отбор метаболически различных микроорганизмов стимулирует водородный обмен у жвачных животных

Журнал ISME, том 16, страницы 2535–2546 (2022 г.) Процитировать эту статью

4882 Доступа

7 цитат

21 Альтметрика

Подробности о метриках

Жвачные животные важны для глобальной продовольственной безопасности, но выделяют парниковый газ метан. Микроорганизмы рубца расщепляют сложные углеводы с образованием летучих жирных кислот и молекулярного водорода. Этот водород в основном преобразуется в метан архей, но также может использоваться гидрогенотрофными ацетогенными и респираторными бактериями для производства полезных метаболитов. Необходимо лучшее механистическое понимание того, как пищевые углеводы влияют на водородный метаболизм и метаногенез. Мы профилировали состав, метаболические пути и активность микробиоты рубца у 24 мясных коров, адаптированных к рациону, богатому клетчаткой или крахмалом. Диета, богатая клетчаткой, выбранная для фибролитических бактерий и метаногенов, приводит к увеличению использования клетчатки, тогда как диета, богатая крахмалом, выбранная для амилолитических бактерий и утилизаторов лактата, позволяет поддерживать здоровый рубец и снижает выработку метана (p <0,05). Кроме того, диета, богатая клетчаткой, обогащенная гидрогенотрофными метаногенами и ацетогенами, приводит к увеличению количества раздвоенных электронов [FeFe]-гидрогеназ, метаногенных [NiFe]- и [Fe]-гидрогеназ и ацетил-КоА-синтазы с меньшим содержанием растворенного водорода (42%, р < 0,001). Напротив, диета, богатая крахмалом, обогащена для респираторных гидрогенотрофов большим количеством продуцирующих водород [FeFe]-гидрогеназ группы B и [NiFe]-гидрогеназ респираторной группы 1d. Параллельные эксперименты in vitro показали, что богатый клетчаткой выбранный микробиом усиливает выработку ацетата и бутирата, одновременно снижая выработку метана (p <0,05), что позволяет предположить, что обогащенные гидрогенотрофные ацетогены преобразуют некоторое количество водорода, который в противном случае использовался бы в метаногенезе. Эти знания о водородном метаболизме и метаногенезе улучшают понимание стратегий сбора энергии, поддержания здорового рубца и снижения выбросов метана у жвачных животных.

В ходе эволюции жвачные животные стали средой обитания сложной микробной экосистемы рубца, состоящей из бактерий, архей, простейших и грибов, которые преобразуют сложные углеводы растительных клеток в летучие жирные кислоты (ЛЖК) и микробный белок, пригодный для использования животным-хозяином [1, 2]. Молекулярный водород (H2) вырабатывается в ходе ферментации углеводов анаэробными бактериями, протистами и грибами и в первую очередь потребляется метан-(CH4)-продуцирующими архей в рубце [3, 4]. Этот H2 затем потребляется рядом бактерий в качестве источника энергии и донора электронов, что обеспечивает термодинамическую выгодность ферментации [5]. Круговорот водорода катализируется H2-продуцирующими и H2-потребляющими гидрогеназами, классифицированными на [FeFe]-, [NiFe]- и [Fe]-гидрогеназы в зависимости от содержания металлов в их H2-связывающих сайтах [6]. Гидрогеназы широко распространены в геномах бактерий и архей, что отражает метаболическую важность трансакций H2 при ферментации в рубце [5, 7, 8]. Метан, образующийся в результате кишечной ферментации, не только представляет собой потерю пищевой энергии, но также способствует глобальным антропогенным выбросам парниковых газов [9, 10]. Важно отметить, что бактерии рубца также кодируют гидрогеназы и терминальные редуктазы для гидрогенотрофного роста, используя акцепторы электронов, такие как CO2, фумарат, сульфат и нитрат. В отличие от метаногенеза, некоторые из этих альтернативных гидрогенотрофных путей производят метаболиты, используемые животным-хозяином, например ацетат, посредством гидрогенотрофного ацетогенеза [5]. Поэтому важно понять, как гидрогенотрофные бактерии конкурируют с метаногенами за H2 в рубце, поскольку эти знания могут облегчить метаболические стратегии для увеличения сбора энергии при снижении производства CH4 у жвачных животных.

Состав пищевых углеводов влияет на микробный состав и функции, включая метаболизм H2 и метаногенез [11, 12]. При кормлении целлюлозным растительным материалом микроорганизмы рубца гидролизуют и ферментируют лигноцеллюлозу преимущественно через ацетатный путь, высвобождая H2, что приводит к высокому уровню продукции CH4 [13]. Однако некоторые травоядные животные, такие как кенгуру и як, производят меньше CH4 [14, 15]. Гидрогенотрофные ацетогенные бактерии способны превращать H2 и CO2 в ацетат по пути Вуда–Люнгдала [5]. Некоторые дикие животные в регионах, где количество или качество корма низкое, возможно, развили пищеварительную систему с усиленным гидрогенотрофным ацетогенезом, что способствует эффективности извлечения и использования энергии из рациона [16]. Еще предстоит определить, влияет ли качество рациона на судьбу вырабатываемого H2 и, таким образом, на соотношение гидрогенотрофного ацетогенеза и метаногенеза, а также на эффективность сбора энергии у выращиваемых жвачных животных.