Wpływ suplementacji minerałów na zdrowie krów mlecznych?
Nadmierna suplementacja minerałów w żywieniu krów mlecznych może wpływać na mikrobiom jelitowy i potencjalnie przyczyniać się do rozwoju oporności na antybiotyki – wskazują wyniki nowego badania opublikowanego w czasopiśmie naukowym. Badacze przyjrzeli się, jak wysoki poziom suplementacji minerałów, zwłaszcza cynku i miedzi, wpływa na ekosystem bakteryjny w różnych częściach przewodu pokarmowego krów mlecznych oraz czy może prowadzić do rozwoju oporności krzyżowej na antybiotyki.
Współczesne krowy mleczne są niezwykle wydajne, osiągając nawet 20 000 kg mleka w laktacji. Ta wysoka produkcja często przekracza możliwości pobierania energii przez zwierzę i może prowadzić do niedoborów mineralnych, skutkujących chorobami takimi jak gorączka mleczna, kulawizny, obniżona odporność prowadząca do mastitis czy ograniczona płodność. W odpowiedzi na te problemy, w żywieniu krów często stosuje się nadmierną suplementację minerałów, co może mieć nieoczekiwane konsekwencje dla mikrobioty jelitowej.
“Niektóre pierwiastki śladowe, takie jak miedź i cynk, są metalami ciężkimi, które wykazują działanie przeciwdrobnoustrojowe i mogą przyczyniać się do rozprzestrzeniania oporności na środki przeciwdrobnoustrojowe poprzez wzbogacanie determinantów genów oporności” – wyjaśniają autorzy badania.
- Nadmierna suplementacja minerałów (cynk, miedź) może wpływać na mikrobiom jelitowy krów mlecznych
- Zaobserwowano znaczące różnice w pH między obszarami przewodu pokarmowego: kał (7,08), żwacz (6,33), dwunastnica (2,56)
- Wyższą różnorodność mikrobiologiczną stwierdzono w grupie kontrolnej w porównaniu z grupą otrzymującą wysokie dawki minerałów
- Testy hodowlane nie wykazały istotnego wpływu diety na rozwój oporności na antybiotyki w krótkim okresie (3 tygodnie)
Jakie mechanizmy stoją za opornością na antybiotyki?
Badacze postawili hipotezę, że nadmierna suplementacja cynku w diecie zmieni społeczność mikrobiologiczną w różnych częściach przewodu pokarmowego oraz że nastąpi zwiększona oporność fenotypowa na inne metale ciężkie (miedź) i antybiotyki, takie jak ceftriakson. Jest to szczególnie istotne w kontekście koncepcji One Health (Jedno Zdrowie), ponieważ bakterie komensalne jelitowe, takie jak Enterobacteriaceae (w tym Escherichia coli), mogą być patogenne dla ludzi i są znane z przenoszenia genów oporności na antybiotyki.
Warto podkreślić, że ceftiofur, antybiotyk trzeciej generacji z grupy cefalosporyn, jest powszechnie stosowany w leczeniu krów mlecznych ze względu na niskie ryzyko pozostałości w mleku i postrzeganą skuteczność. Ceftriakson, podobny do ceftiofuru, jest stosowany w medycynie ludzkiej, w tym w leczeniu salmonellozy u dzieci i dorosłych. Niepokojący jest fakt, że oporność na ceftriakson i inne cefalosporyny trzeciej generacji w populacji Salmonella wydaje się rosnąć, a wcześniejsze badania wykazały zmniejszoną wrażliwość na ceftriakson w populacji E. coli z kału bydła mlecznego.
W badaniu wykorzystano cztery krowy mleczne z kaniulami w żwaczu i dwunastnicy w schemacie krzyżowym 2×2 (n=4 na grupę) przez dwa okresy 26-dniowe. Zwierzęta otrzymywały dietę kontrolną (CON) lub dietę z wysoką zawartością minerałów (HIGH), zawierającą 0,89-krotnie wyższe stężenie cynku. Pobierano próbki z żwacza, dwunastnicy i kału, mierzono pH oraz analizowano skład mikrobioty przy użyciu sekwencjonowania 16S rRNA i hodowli bakteryjnych.
Wyniki wykazały znaczące różnice w pH między badanymi obszarami przewodu pokarmowego: najwyższe wartości miał kał (7,08 ± 0,23), następnie żwacz (6,33 ± 0,40), a najniższe dwunastnica (2,56 ± 0,30). Co ciekawe, zaobserwowano tendencję do niższego pH w dwunastnicy w grupie HIGH (2,47) w porównaniu z CON (2,64). Badacze zauważyli, że pH żwacza zmieniało się w ciągu dnia w zależności od czasu karmienia, podczas gdy pH dwunastnicy pozostawało stałe.
Analiza różnorodności alfa wykazała wyższą różnorodność mikrobiologiczną w dwunastnicy w diecie CON (0,99 ± 0,01) w porównaniu z HIGH (0,97 ± 0,03) przy użyciu wskaźnika Simpsona. Podobną tendencję zaobserwowano dla wskaźnika Shannona. W żwaczu wskaźnik Simpsona również wykazywał tendencję do zwiększonej różnorodności w CON w porównaniu z HIGH. Analiza beta różnorodności przy użyciu wskaźnika Bray-Curtis wykazała grupowanie się społeczności bakteryjnych żwacza i dwunastnicy w porównaniu z kałem, ale nie zaobserwowano istotnych różnic między grupami CON i HIGH.
- Potencjalny rozwój oporności bakterii na antybiotyki
- Akumulacja metali ciężkich w glebach poprzez obornik
- Możliwe konsekwencje dla zdrowia publicznego w kontekście koncepcji One Health
- Ryzyko przenoszenia genów oporności przez bakterie komensalne (np. Enterobacteriaceae) na patogeny ludzkie
Jak interpretować wyniki badań w kontekście zdrowia publicznego?
Badacze zaobserwowali również istotne zmiany w względnej liczebności różnych grup bakterii. Bacteroidota wykazywały wyższą liczebność w żwaczu w porównaniu z dwunastnicą i kałem, a ich ilość zmniejszała się w trakcie przechodzenia przez przewód pokarmowy. Z kolei względna liczebność Firmicutes zwiększała się w trakcie pasażu przez przewód pokarmowy, od najniższej w żwaczu, poprzez dwunastnicę, do najwyższej w kale. Fibrobacterota i Verrucomicrobiota były najbardziej liczne w dwunastnicy w porównaniu z żwaczem i kałem, podczas gdy Spirochaetota miały wyższą liczebność w żwaczu w porównaniu z dwunastnicą. Actinobacteriota były najliczniejsze w kale w porównaniu z żwaczem i dwunastnicą, a Proteobacteria wykazywały zwiększoną liczebność w dwunastnicy w porównaniu z żwaczem.
Szczególnie interesujące były wyniki dotyczące rzędu Enterobacterales, gdzie zaobserwowano istotną interakcję między miejscem pobierania próbki a dietą. Względna liczebność tego rzędu była najwyższa w dwunastnicy w porównaniu z innymi miejscami. Rodzina Enterobacteriaceae wykazywała wyższą względną liczebność w żwaczu i dwunastnicy niż w kale. Porównanie innych członków rodziny Enterobacteriaceae, Escherichia-Shigella oraz rodziny Succinivibrionaceae, Ruminobacter i Succinimonas wykazało, że nie miały one efektów interakcji, ale były znacząco zależne od miejsca pobierania próbki.
“Zaobserwowaliśmy, że rodzaj Raoultella występował wyłącznie w żwaczu, a Escherichia-Shigella wyłącznie w kale” – podkreślają badacze. “To szczególnie niepokojące, ponieważ niektóre gatunki Raoultella izolowane ze środowiska wykazują oporność na liczne leki i metale ciężkie, co może stanowić rezerwuar genów oporności dla bardziej zjadliwych mikroorganizmów”.
Zaskakująco, testy hodowlane nie wykazały istotnego wpływu diety na fenotyp oporności. Jedyną zauważalną różnicą była tendencja do zmniejszonej oporności na cynk w kale w grupie otrzymującej dietę HIGH. Badacze sugerują, że może to być związane z dynamiką żwacza i rozpuszczalnością metali w paszy, co zmienia zdolność suplementowanych metali do inicjowania fenotypu oporności u bakterii. Próbki z dwunastnicy wykazywały słaby wzrost na podłożu MacConkeya – tylko 70,8% z 8 ± 26 UFC zostało zebranych jako mieszane izolaty wzbogacone (MEI), prawdopodobnie z powodu bardzo niskiego pH w tym miejscu (2,56 ± 0,30).
Autorzy badania zwracają uwagę na różnice metodologiczne między sekwencjonowaniem genów a hodowlą selektywną, które utrudniają korelację między zestawami danych. Jednak trend był podobny – większa liczba opornych izolatów oraz przewidywanych genów oporności została znaleziona w kale.
Badacze zauważają, że zmiany w różnorodności w dwunastnicy są prawdopodobnie związane z niższym pH występującym po wyjściu z trawieńca, co zmienia rozpuszczalność metali w różnych częściach przewodu pokarmowego. Większość minerałów przyjmuje ładunek dodatni w warunkach kwaśnych, zwiększając ich wpływ na ujemnie naładowaną zewnętrzną błonę bakteryjną, co może zakłócać wzrost i aktywność bakterii. Efekt ten jest dodatkowo potwierdzony przez brak wzrostu mikrobiologicznego obserwowanego w próbkach dwunastnicy hodowanych na wzbogaconych podłożach.
Autorzy podkreślają, że choć nadmierna suplementacja minerałów przez 3 tygodnie miała minimalny wpływ na taksonomię mikrobiomu przewodu pokarmowego, wskazując, że nie osiągnięto poziomów toksyczności dla mikroorganizmów i że tolerancja mikrobiologiczna na minerały w diecie jest większa w porównaniu z tolerancją na pH, to jednak istnieją obawy dotyczące długoterminowego narażenia na metale ciężkie podczas laktacji i ich potencjalnego wpływu na rozwój oporności na środki przeciwdrobnoustrojowe. Dodatkowo, akumulacja metali w glebach w wyniku wieloletniego stosowania obornika pochodzącego od bydła karmionego nadmierną ilością minerałów śladowych może mieć konsekwencje środowiskowe.
Badanie to podkreśla znaczenie monitorowania praktyk żywieniowych w hodowli bydła mlecznego w kontekście rozwoju oporności na antybiotyki i ich potencjalnego wpływu na zdrowie publiczne. Lekarze powinni być świadomi, że praktyki rolnicze mogą mieć daleko idące konsekwencje dla ekosystemów mikrobiologicznych i ostatecznie dla zdrowia ludzkiego.
Czy te wyniki powinny skłonić do zmiany zaleceń dotyczących suplementacji minerałów w żywieniu bydła mlecznego? Badacze sugerują, że potrzebne są dalsze badania nad długoterminowym wpływem ekspozycji na metale ciężkie podczas laktacji na rozwój oporności fenotypowej na środki przeciwdrobnoustrojowe w mikrobiomie przewodu pokarmowego.
Jakie mogą być konsekwencje tych odkryć dla medycyny ludzkiej? Rosnąca oporność na antybiotyki stanowi jedno z największych zagrożeń dla zdrowia publicznego, a zrozumienie wszystkich potencjalnych źródeł tej oporności, w tym praktyk rolniczych, jest kluczowe dla opracowania skutecznych strategii przeciwdziałania.
Badanie to stanowi ważny krok w kierunku lepszego zrozumienia złożonych interakcji między praktykami rolniczymi, mikrobiomem zwierząt i potencjalnymi zagrożeniami dla zdrowia ludzkiego, podkreślając znaczenie podejścia One Health w badaniach medycznych.
Podsumowanie
Przeprowadzone badanie analizowało wpływ wysokiego poziomu suplementacji minerałów, szczególnie cynku i miedzi, na mikrobiom jelitowy krów mlecznych oraz rozwój oporności na antybiotyki. Badanie wykazało, że nadmierna suplementacja minerałów przez 3 tygodnie miała ograniczony wpływ na taksonomię mikrobiomu przewodu pokarmowego, jednak zaobserwowano istotne różnice w pH między badanymi obszarami przewodu pokarmowego oraz zmiany w różnorodności mikrobiologicznej. Szczególnie istotne zmiany dotyczyły względnej liczebności różnych grup bakterii, w tym Bacteroidota, Firmicutes oraz Enterobacterales. Chociaż testy hodowlane nie wykazały znaczącego wpływu diety na fenotyp oporności, badacze zwracają uwagę na potencjalne długoterminowe zagrożenia związane z ekspozycją na metale ciężkie podczas laktacji oraz ich możliwy wpływ na rozwój oporności na środki przeciwdrobnoustrojowe. Wyniki badania podkreślają znaczenie monitorowania praktyk żywieniowych w hodowli bydła mlecznego w kontekście rozwoju oporności na antybiotyki i ich potencjalnego wpływu na zdrowie publiczne.
Bibliografia
Martineau Charles-Antoine, Duplessis Mélissa, Ronholm Jennifer and Petri Renée M.. The influence of trace metal supplementation on the presence of ceftriaxone resistance in
