Dit artikel maakt deel uit van het onderzoeksthema "Antimicrobieel gebruik, antimicrobiële resistentie en het microbioom van voedselproducerende dieren". Bekijk alle 13 artikelen.
Organische zuren blijven zeer gewild als toevoeging aan diervoeder. Tot nu toe lag de focus op voedselveiligheid, met name op het verminderen van de incidentie van door voedsel overgedragen ziekteverwekkers bij pluimvee en andere dieren. Verschillende organische zuren worden momenteel onderzocht of zijn al commercieel in gebruik. Mierenzuur is een van de vele organische zuren die uitgebreid zijn onderzocht. Mierenzuur wordt aan pluimveevoer toegevoegd om de aanwezigheid van Salmonella en andere door voedsel overgedragen ziekteverwekkers in het voer en in het maag-darmkanaal na inname te beperken. Naarmate het inzicht in de werkzaamheid en impact van mierenzuur op de gastheer en door voedsel overgedragen ziekteverwekkers toeneemt, wordt het duidelijk dat de aanwezigheid van mierenzuur specifieke processen in Salmonella kan activeren. Deze reactie kan complexer worden wanneer mierenzuur het maag-darmkanaal binnendringt en niet alleen interactie aangaat met Salmonella die zich al in het maag-darmkanaal bevindt, maar ook met de eigen microflora van de darm. Dit overzicht bespreekt de huidige resultaten en de vooruitzichten voor verder onderzoek naar het microbioom van pluimvee en voer dat met mierenzuur is behandeld.
Zowel in de vee- als de pluimveehouderij is de uitdaging het ontwikkelen van managementstrategieën die de groei en productiviteit optimaliseren en tegelijkertijd de risico's voor de voedselveiligheid beperken. Historisch gezien heeft de toediening van antibiotica in subtherapeutische concentraties de gezondheid, het welzijn en de productiviteit van dieren verbeterd (1-3). Vanuit een werkingsmechanisme-perspectief is voorgesteld dat antibiotica die in subinhiberende concentraties worden toegediend, de reacties van de gastheer beïnvloeden door de gastro-intestinale flora en daarmee de interacties met de gastheer te moduleren (3). Aanhoudende zorgen over de mogelijke verspreiding van antibioticaresistente, via voedsel overgedragen pathogenen en hun mogelijke verband met antibioticaresistente infecties bij mensen hebben echter geleid tot de geleidelijke afbouw van het antibioticagebruik bij voedselproducerende dieren (4-8). Daarom is de ontwikkeling van voederadditieven en -verbeteraars die aan ten minste een deel van deze eisen voldoen (verbeterde diergezondheid, welzijn en productiviteit) van groot belang, zowel vanuit academisch onderzoek als vanuit commercieel oogpunt (5, 9). Er zijn diverse commerciële voederadditieven op de markt voor diervoeding verschenen, waaronder probiotica, prebiotica, essentiële oliën en verwante verbindingen uit verschillende plantenbronnen, en chemicaliën zoals aldehyden (10–14). Andere commerciële voederadditieven die vaak in de pluimveehouderij worden gebruikt, zijn onder andere bacteriofagen, zinkoxide, exogene enzymen, producten voor competitieve uitsluiting en zure verbindingen (15, 16).
Van de bestaande chemische voederadditieven zijn aldehyden en organische zuren van oudsher de meest bestudeerde en gebruikte verbindingen (12, 17–21). Organische zuren, met name kortketenige vetzuren (SCFA's), staan ​​bekend als antagonisten van pathogene bacteriën. Deze organische zuren worden als voederadditieven gebruikt, niet alleen om de aanwezigheid van pathogenen in de voedermatrix te beperken, maar ook om een ​​actief effect uit te oefenen op de gastro-intestinale functie (17, 20–24). Bovendien worden SCFA's geproduceerd door fermentatie door de darmflora in het spijsverteringskanaal en wordt aangenomen dat ze een mechanistische rol spelen in het vermogen van sommige probiotica en prebiotica om pathogenen die in het maag-darmkanaal worden opgenomen, tegen te gaan (21, 23, 25).
In de loop der jaren hebben verschillende kortketenige vetzuren (SCFAs) veel aandacht gekregen als voederadditieven. Met name propionaat, butyraat en formiaat zijn het onderwerp geweest van talloze studies en commerciële toepassingen (17, 20, 21, 23, 24, 26). Terwijl vroege studies zich richtten op de bestrijding van door voedsel overgedragen ziekteverwekkers in dier- en pluimveevoer, is de focus van recentere studies verschoven naar de algehele verbetering van de dierprestaties en de gastro-intestinale gezondheid (20, 21, 24). Acetaat, propionaat en butyraat hebben veel aandacht gekregen als organische zuren die als voederadditieven worden gebruikt, waarbij mierenzuur ook een veelbelovende kandidaat is (21, 23). Veel aandacht is gericht op de voedselveiligheidsaspecten van mierenzuur, met name de vermindering van de incidentie van door voedsel overgedragen ziekteverwekkers in veevoer. Er worden echter ook andere mogelijke toepassingen overwogen. Het algemene doel van dit overzicht is om de geschiedenis en de huidige status van mierenzuur als veevoederverbeteraar te onderzoeken (Figuur 1). In deze studie onderzoeken we het antibacteriële mechanisme van mierenzuur. Daarnaast bekijken we de effecten ervan op vee en pluimvee en bespreken we mogelijke methoden om de effectiviteit ervan te verbeteren.
Figuur 1. Mindmap van de onderwerpen die in dit overzicht aan bod komen. In het bijzonder werd de focus gelegd op de volgende algemene doelstellingen: het beschrijven van de geschiedenis en de huidige status van mierenzuur als veevoederverbeteraar, de antimicrobiële mechanismen van mierenzuur en de impact van het gebruik ervan op de gezondheid van dieren en pluimvee, en mogelijke methoden om de werkzaamheid te verbeteren.
De productie van veevoer voor vee en pluimvee is een complexe operatie die meerdere stappen omvat, waaronder de fysieke verwerking van graan (bijvoorbeeld malen om de deeltjesgrootte te verkleinen), thermische verwerking voor het pelleteren en de toevoeging van diverse voedingsstoffen aan het dieet, afhankelijk van de specifieke voedingsbehoeften van het dier (27). Gezien deze complexiteit is het niet verwonderlijk dat de verwerking van voer graan blootstelt aan een verscheidenheid aan omgevingsfactoren voordat het de voerfabriek bereikt, tijdens het malen en vervolgens tijdens het transport en het voeren in samengestelde voerrantsoenen (9, 21, 28). Zo is in de loop der jaren een zeer diverse groep micro-organismen in voer geïdentificeerd, waaronder niet alleen bacteriën, maar ook bacteriofagen, schimmels en gisten (9, 21, 28-31). Sommige van deze verontreinigingen, zoals bepaalde schimmels, kunnen mycotoxinen produceren die gezondheidsrisico's voor dieren met zich meebrengen (32-35).
Bacteriële populaties kunnen relatief divers zijn en hangen tot op zekere hoogte af van de respectievelijke methoden die worden gebruikt voor de isolatie en identificatie van micro-organismen, evenals van de bron van het monster. Zo kan het microbiële samenstellingsprofiel verschillen vóór de warmtebehandeling die gepaard gaat met pelleteren (36). Hoewel klassieke kweek- en plaatplatingmethoden enige informatie hebben opgeleverd, heeft de recente toepassing van de op 16S rRNA-genen gebaseerde next-generation sequencing (NGS)-methode een uitgebreidere beoordeling van de microbioomgemeenschap van voedergewassen mogelijk gemaakt (9). Toen Solanki et al. (37) het bacteriële microbioom van tarwekorrels onderzochten die gedurende een bepaalde periode waren opgeslagen in de aanwezigheid van fosfine, een insectenbestrijdingsmiddel, ontdekten ze dat het microbioom diverser was na de oogst en na 3 maanden opslag. Bovendien vonden Solanki et al. (37) (37) toonde aan dat Proteobacteria, Firmicutes, Actinobacteria, Bacteroidetes en Planctomyces de dominante fyla waren in tarwekorrels, Bacillus, Erwinia en Pseudomonas de dominante geslachten, en Enterobacteriaceae een klein aandeel vormden. Op basis van taxonomische vergelijkingen concludeerden ze dat fosfinebegassing de bacteriële populaties significant veranderde, maar geen invloed had op de schimmeldiversiteit.
Solanki et al. (37) toonden aan dat voerbronnen ook voedseloverdragende pathogenen kunnen bevatten die problemen voor de volksgezondheid kunnen veroorzaken, gebaseerd op de detectie van Enterobacteriaceae in het microbioom. Voedseloverdragende pathogenen zoals Clostridium perfringens, Clostridium botulinum, Salmonella, Campylobacter, Escherichia coli O157:H7 en Listeria monocytogenes zijn in verband gebracht met diervoeder en kuilvoer (9, 31, 38). De persistentie van andere voedseloverdragende pathogenen in dier- en pluimveevoer is momenteel onbekend. Ge et al. (39) onderzochten meer dan 200 ingrediënten voor diervoeder en isoleerden Salmonella, E. coli en Enterococcus, maar detecteerden geen E. coli O157:H7 of Campylobacter. Matrices zoals droogvoer kunnen echter wel een bron van pathogene E. coli vormen. Bij het traceren van de bron van een uitbraak in 2016 van Shiga-toxineproducerende Escherichia coli (STEC) serogroepen O121 en O26, geassocieerd met ziekte bij mensen, gebruikten Crowe et al. (40) volledige genoomsequencing om klinische isolaten te vergelijken met isolaten verkregen uit voedselproducten. Op basis van deze vergelijking concludeerden ze dat de waarschijnlijke bron rauw tarwemeel met een laag vochtgehalte van meelmolens was. Het lage vochtgehalte van tarwemeel suggereert dat STEC ook kan overleven in diervoeder met een laag vochtgehalte. Zoals Crowe et al. (40) echter opmerken, is isolatie van STEC uit meelmonsters moeilijk en vereist het immunomagnetische scheidingsmethoden om voldoende bacteriële cellen te verkrijgen. Soortgelijke diagnostische processen kunnen ook de detectie en isolatie van zeldzame voedselovergedragen pathogenen in diervoeder bemoeilijken. De moeilijkheid bij detectie kan ook te wijten zijn aan de lange persistentie van deze pathogenen in matrices met een laag vochtgehalte. Forghani et al. (41) toonde aan dat tarwebloem die op kamertemperatuur werd bewaard en geïnoculeerd met een mengsel van enterohemorragische Escherichia coli (EHEC) serogroepen O45, O121 en O145 en Salmonella (S. Typhimurium, S. Agona, S. Enteritidis en S. Anatum) kwantificeerbaar was na 84 en 112 dagen en nog steeds detecteerbaar was na 24 en 52 weken.
Historisch gezien is Campylobacter nooit geïsoleerd uit dier- en pluimveevoer met behulp van traditionele kweekmethoden (38, 39), hoewel Campylobacter wel gemakkelijk kan worden geïsoleerd uit het maag-darmkanaal van pluimvee en pluimveeproducten (42, 43). Voer heeft echter nog steeds voordelen als potentiële bron. Zo toonden Alves et al. (44) aan dat inoculatie van voer voor vetgemeste kippen met C. jejuni en daaropvolgende opslag van het voer bij twee verschillende temperaturen gedurende 3 of 5 dagen resulteerde in het terugvinden van levensvatbare C. jejuni en in sommige gevallen zelfs in hun proliferatie. Zij concludeerden dat C. jejuni zeker kan overleven in pluimveevoer en daarom een ​​potentiële infectiebron voor kippen kan zijn.
Salmonella-besmetting van dier- en pluimveevoer heeft in het verleden veel aandacht gekregen en blijft een belangrijk aandachtspunt in de voortdurende inspanningen om detectiemethoden te ontwikkelen die specifiek toepasbaar zijn op voer en om effectievere bestrijdingsmaatregelen te vinden (12, 26, 30, 45–53). In de loop der jaren hebben veel studies de isolatie en karakterisering van Salmonella in verschillende voerbedrijven en voerfabrieken onderzocht (38, 39, 54–61). Over het algemeen wijzen deze studies erop dat Salmonella kan worden geïsoleerd uit een verscheidenheid aan voeringrediënten, voerbronnen, voersoorten en voerproductieprocessen. De prevalentiepercentages en de meest voorkomende geïsoleerde Salmonella-serotypes varieerden ook. Li et al. (57) bevestigden bijvoorbeeld de aanwezigheid van Salmonella spp. Deze werd aangetroffen in 12,5% van de 2058 monsters die tussen 2002 en 2009 werden verzameld uit compleet diervoer, voeringrediënten, huisdierenvoer, huisdierensnacks en huisdierensupplementen. Bovendien waren de meest voorkomende serotypes die werden aangetroffen in de 12,5% van de Salmonella-monsters die positief testten S. Senftenberg en S. Montevideo (57). In een onderzoek naar kant-en-klaar voedsel en diervoederbijproducten in Texas rapporteerden Hsieh et al. (58) dat de hoogste prevalentie van Salmonella werd gevonden in vismeel, gevolgd door dierlijke eiwitten, met S. Mbanka en S. Montevideo als de meest voorkomende serotypes. Voederfabrieken vormen ook verschillende potentiële besmettingspunten voor voer tijdens het mengen en toevoegen van ingrediënten (9, 56, 61). Magossi et al. (61) konden aantonen dat er meerdere besmettingspunten kunnen voorkomen tijdens de voerproductie in de Verenigde Staten. Magossi et al. (61) vonden namelijk minstens één positieve Salmonella-cultuur in 11 voederfabrieken (in totaal 12 bemonsteringslocaties) in acht staten van de Verenigde Staten. Gezien het risico op salmonellabesmetting tijdens het hanteren, transporteren en dagelijks voeren van voer, is het niet verwonderlijk dat er aanzienlijke inspanningen worden geleverd om voeradditieven te ontwikkelen die het niveau van microbiële besmetting gedurende de gehele dierlijke productiecyclus kunnen verlagen en laag kunnen houden.
Er is weinig bekend over het mechanisme van de specifieke respons van Salmonella op mierenzuur. Huang et al. (62) gaven echter aan dat mierenzuur aanwezig is in de dunne darm van zoogdieren en dat Salmonella spp. in staat zijn mierenzuur te produceren. Huang et al. (62) gebruikten een reeks deletiemutanten van belangrijke pathways om de expressie van Salmonella-virulentiegenen te detecteren en ontdekten dat formiaat kan fungeren als een diffuus signaal om Salmonella ertoe aan te zetten Hep-2 epitheelcellen binnen te dringen. Recentelijk isoleerden Liu et al. (63) een formiaattransporter, FocA, uit Salmonella typhimurium die functioneert als een specifiek formiaatkanaal bij pH 7,0, maar ook kan functioneren als een passief exportkanaal bij een hoge externe pH of als een secundair actief formiaat-/waterstofionenimportkanaal bij een lage pH. Deze studie werd echter slechts uitgevoerd op één serotype van S. Typhimurium. De vraag blijft of alle serotypes op mierenzuur reageren via vergelijkbare mechanismen. Dit blijft een cruciale onderzoeksvraag die in toekomstige studies moet worden aangepakt. Ongeacht de resultaten blijft het verstandig om meerdere Salmonella-serotypes of zelfs meerdere stammen van elk serotype te gebruiken in screeningsexperimenten bij het ontwikkelen van algemene aanbevelingen voor het gebruik van zuursupplementen om het Salmonella-gehalte in diervoeder te verlagen. Nieuwere benaderingen, zoals het gebruik van genetische barcodering om stammen te coderen en zo verschillende subgroepen van hetzelfde serotype te onderscheiden (9, 64), bieden de mogelijkheid om subtielere verschillen te ontdekken die van invloed kunnen zijn op de conclusies en de interpretatie van die verschillen.
De chemische aard en de dissociatievorm van formiaat kunnen ook van belang zijn. In een reeks onderzoeken hebben Beyer et al. (65–67) aangetoond dat de remming van Enterococcus faecium, Campylobacter jejuni en Campylobacter coli gecorreleerd was met de hoeveelheid gedissocieerd mierenzuur en onafhankelijk was van de pH of ongedissocieerd mierenzuur. De chemische vorm van formiaat waaraan de bacteriën worden blootgesteld, lijkt ook van belang te zijn. Kovanda et al. (68) hebben verschillende Gram-negatieve en Gram-positieve organismen gescreend en de minimale remmende concentraties (MIC's) van natriumformiaat (500–25.000 mg/L) en een mengsel van natriumformiaat en vrij formiaat (40/60 m/v; 10–10.000 mg/L) vergeleken. Op basis van MIC-waarden ontdekten ze dat natriumformiaat alleen remmend werkte tegen Campylobacter jejuni, Clostridium perfringens, Streptococcus suis en Streptococcus pneumoniae, maar niet tegen Escherichia coli, Salmonella typhimurium of Enterococcus faecalis. Daarentegen werkte een mengsel van natriumformiaat en vrij natriumformiaat remmend tegen alle organismen, wat de auteurs ertoe bracht te concluderen dat vrij mierenzuur de meeste antimicrobiële eigenschappen bezit. Het zou interessant zijn om verschillende verhoudingen van deze twee chemische vormen te onderzoeken om te bepalen of het bereik van de MIC-waarden correleert met de hoeveelheid mierenzuur in de gemengde formule en de respons op 100% mierenzuur.
Gomez-Garcia et al. (69) testten combinaties van essentiële oliën en organische zuren (zoals mierenzuur) tegen meerdere isolaten van Escherichia coli, Salmonella en Clostridium perfringens afkomstig van varkens. Ze testten de werkzaamheid van zes organische zuren, waaronder mierenzuur, en zes essentiële oliën tegen de varkensisolaten, waarbij formaldehyde als positieve controle werd gebruikt. Gomez-García et al. (69) bepaalden de MIC50, MBC50 en MIC50/MBC50 van mierenzuur tegen Escherichia coli (600 en 2400 ppm, 4), Salmonella (600 en 2400 ppm, 4) en Clostridium perfringens (1200 en 2400 ppm, 2). Hierbij bleek mierenzuur effectiever te zijn dan alle organische zuren tegen E. coli en Salmonella. (69) Mierenzuur is effectief tegen Escherichia coli en Salmonella vanwege de kleine moleculaire omvang en de lange keten (70).
Beyer et al. onderzochten Campylobacter-stammen geïsoleerd uit varkens (66) en Campylobacter jejuni-stammen geïsoleerd uit pluimvee (67) en toonden aan dat mierenzuur dissocieert bij concentraties die overeenkomen met de MIC-responsen gemeten voor andere organische zuren. De relatieve potentie van deze zuren, waaronder mierenzuur, is echter in twijfel getrokken omdat Campylobacter deze zuren als substraten kan gebruiken (66, 67). Het gebruik van zuren door C. jejuni is niet verrassend, omdat is aangetoond dat deze bacterie een niet-glycolytisch metabolisme heeft. C. jejuni heeft dus een beperkte capaciteit voor koolhydraatkatabolisme en is voor het grootste deel van zijn energiemetabolisme en biosynthetische activiteit afhankelijk van gluconeogenese uit aminozuren en organische zuren (71, 72). Een eerdere studie van Line et al. (73) gebruikte een fenotypische array met 190 koolstofbronnen en toonde aan dat C. jejuni 11168(GS) organische zuren als koolstofbronnen kan gebruiken, waarvan de meeste intermediairen zijn van de tricarbonzuurcyclus. Verdere studies door Wagli et al. (74) met behulp van een fenotypische koolstofgebruiksarray toonden aan dat de C. jejuni- en E. coli-stammen die in hun onderzoek werden bestudeerd, in staat zijn om te groeien op organische zuren als koolstofbron. Formaat is de belangrijkste elektronendonor voor het respiratoire energiemetabolisme van C. jejuni en daarom de belangrijkste energiebron voor C. jejuni (71, 75). C. jejuni kan formaat gebruiken als waterstofdonor via een membraangebonden formaatdehydrogenasecomplex dat formaat oxideert tot kooldioxide, protonen en elektronen en dient als elektronendonor voor de ademhaling (72).
Mierenzuur wordt al lange tijd gebruikt als antimicrobiële voederverbeteraar, maar sommige insecten kunnen ook mierenzuur produceren als antimicrobiële afweerstof. Rossini et al. (76) suggereerden dat mierenzuur een bestanddeel zou kunnen zijn van het zure sap van mieren, zoals bijna 350 jaar geleden beschreven door Ray (77). Sindsdien is onze kennis van de productie van mierenzuur bij mieren en andere insecten aanzienlijk toegenomen, en is nu bekend dat dit proces deel uitmaakt van een complex toxine-afweersysteem bij insecten (78). Verschillende insectengroepen, waaronder angelvrije bijen, spitsmieren (Hymenoptera: Apidae), loopkevers (Galerita lecontei en G. janus), angelvrije mieren (Formicinae) en sommige mottenlarven (Lepidoptera: Myrmecophaga), produceren mierenzuur als afweerstof (76, 78-82).
Mieren zijn wellicht het best gekarakteriseerd omdat ze acidocyten hebben, gespecialiseerde openingen waarmee ze een gif kunnen spuiten dat voornamelijk uit mierenzuur bestaat (82). De mieren gebruiken serine als precursor en slaan grote hoeveelheden formiaat op in hun gifklieren, die voldoende geïsoleerd zijn om gastheermieren te beschermen tegen de cytotoxiciteit van formiaat totdat het wordt gespoten (78, 83). Het mierenzuur dat ze afscheiden kan (1) dienen als alarmferomoon om andere mieren aan te trekken; (2) een verdedigingsstof zijn tegen concurrenten en roofdieren; en (3) werken als een schimmelwerend en antibacterieel middel wanneer het wordt gecombineerd met hars als onderdeel van het nestmateriaal (78, 82, 84-88). Mierenzuur geproduceerd door mieren heeft antimicrobiële eigenschappen, wat suggereert dat het als topisch additief gebruikt zou kunnen worden. Dit werd aangetoond door Bruch et al. (88), die synthetisch mierenzuur aan de hars toevoegden en de schimmelwerende activiteit aanzienlijk verbeterden. Verder bewijs voor de effectiviteit van mierenzuur en het biologische nut ervan is dat reuzenmiereneters, die geen maagzuur kunnen produceren, mieren eten die mierenzuur bevatten om zichzelf te voorzien van geconcentreerd mierenzuur als alternatief spijsverteringszuur (89).
Het praktische gebruik van mierenzuur in de landbouw wordt al vele jaren overwogen en bestudeerd. Mierenzuur kan met name worden gebruikt als toevoeging aan diervoeder en kuilvoer. Natriumformiaat, zowel in vaste als vloeibare vorm, wordt als veilig beschouwd voor alle diersoorten, consumenten en het milieu (90). Op basis van hun beoordeling (90) werd een maximale concentratie van 10.000 mg mierenzuurequivalenten/kg voer als veilig beschouwd voor alle diersoorten, terwijl een maximale concentratie van 12.000 mg mierenzuurequivalenten/kg voer als veilig werd beschouwd voor varkens. Het gebruik van mierenzuur als voederverbeteraar wordt al vele jaren bestudeerd. Het wordt beschouwd als een commercieel waardevol middel voor kuilvoerconservering en als antimicrobieel middel in dier- en pluimveevoer.
Chemische toevoegingen zoals zuren zijn altijd een integraal onderdeel geweest van de silageproductie en het voermanagement (91, 92). Borreani et al. (91) merkten op dat voor een optimale productie van hoogwaardige silage het noodzakelijk is om de voederkwaliteit te behouden en tegelijkertijd zoveel mogelijk droge stof te behouden. Het resultaat van een dergelijke optimalisatie is het minimaliseren van verliezen in alle stadia van het inkuilproces: van de aanvankelijke aerobe omstandigheden in de silo tot de daaropvolgende fermentatie, opslag en het heropenen van de silo voor het voeren. Specifieke methoden voor het optimaliseren van de veldsilageproductie en de daaropvolgende silagefermentatie zijn elders in detail besproken (91, 93-95) en zullen hier niet verder worden behandeld. Het belangrijkste probleem is oxidatieve aantasting door gisten en schimmels wanneer er zuurstof in de silage aanwezig is (91, 92). Daarom zijn biologische entstoffen en chemische toevoegingen geïntroduceerd om de nadelige effecten van bederf tegen te gaan (91, 92). Andere overwegingen bij toevoegingen aan kuilvoer zijn onder meer het beperken van de verspreiding van pathogenen die in kuilvoer aanwezig kunnen zijn (bijvoorbeeld pathogene E. coli, Listeria en Salmonella) en mycotoxineproducerende schimmels (96-98).
Mack et al. (92) verdeelden zure additieven in twee categorieën. Zuren zoals propionzuur, azijnzuur, sorbinezuur en benzoëzuur behouden de aerobe stabiliteit van kuilvoer wanneer het aan herkauwers wordt gevoerd door de groei van gisten en schimmels te beperken (92). Mack et al. (92) onderscheidden mierenzuur van andere zuren en beschouwden het als een directe verzuringsfactor die clostridia en bederfveroorzakende micro-organismen remt, terwijl de integriteit van het kuilvoereiwit behouden blijft. In de praktijk zijn de zoutvormen de meest voorkomende chemische vormen om de corrosieve eigenschappen van de zuren in de niet-zoutvorm te vermijden (91). Veel onderzoeksgroepen hebben mierenzuur ook bestudeerd als zuur additief voor kuilvoer. Mierenzuur staat bekend om zijn snelle verzuringspotentieel en zijn remmende werking op de groei van schadelijke kuilvoermicro-organismen die het eiwit- en wateroplosbare koolhydraatgehalte van kuilvoer verlagen (99). Daarom vergeleken He et al. (92) mierenzuur met zure additieven in kuilvoer. (100) toonde aan dat mierenzuur Escherichia coli kon remmen en de pH van kuilvoer kon verlagen. Bacteriële culturen die mieren- en melkzuur produceerden, werden ook aan kuilvoer toegevoegd om de verzuring en de productie van organische zuren te stimuleren (101). Cooley et al. (101) ontdekten zelfs dat wanneer kuilvoer werd aangezuurd met 3% (w/v) mierenzuur, de productie van melkzuur en mierenzuur respectievelijk meer dan 800 en 1000 mg organisch zuur/100 g monster bedroeg. Mack et al. (92) hebben de literatuur over onderzoek naar kuilvoeradditieven gedetailleerd doorgenomen, inclusief studies die sinds 2000 zijn gepubliceerd en die zich richtten op en/of mierenzuur en andere zuren bevatten. Daarom zal dit overzicht niet in detail ingaan op individuele studies, maar slechts enkele belangrijke punten samenvatten met betrekking tot de effectiviteit van mierenzuur als chemisch kuilvoeradditief. Zowel ongebufferd als gebufferd mierenzuur is onderzocht en in de meeste gevallen Clostridium spp. De relatieve activiteiten ervan (opname van koolhydraten, eiwitten en lactaat en uitscheiding van butyraat) nemen doorgaans af, terwijl de productie van ammoniak en butyraat afneemt en de droge stofretentie toeneemt (92). Er zijn beperkingen aan de prestaties van mierenzuur, maar het gebruik ervan als silageadditief in combinatie met andere zuren lijkt een aantal van deze problemen te ondervangen (92).
Mierenzuur kan pathogene bacteriën remmen die een risico vormen voor de menselijke gezondheid. Pauly en Tam (102) entten bijvoorbeeld kleine laboratoriumsilo's met L. monocytogenes die drie verschillende drogestofgehaltes (200, 430 en 540 g/kg) raaigras bevatten en voegden vervolgens mierenzuur (3 ml/kg) of melkzuurbacteriën (8 × 10⁵/g) en cellulolytische enzymen toe. Ze rapporteerden dat beide behandelingen L. monocytogenes tot ondetecteerbare niveaus reduceerden in de silage met een laag drogestofgehalte (200 g/kg). In de silage met een gemiddeld drogestofgehalte (430 g/kg) was L. monocytogenes echter na 30 dagen nog steeds detecteerbaar in de met mierenzuur behandelde silage. De reductie van L. monocytogenes leek samen te hangen met een lagere pH, melkzuur en gecombineerde ongedissocieerde zuren. Pauly en Tam (102) merkten bijvoorbeeld op dat de niveaus van melkzuur en gecombineerd ongedissocieerd zuur bijzonder belangrijk waren, wat mogelijk de reden is waarom er geen afname van L. monocytogenes werd waargenomen in met mierenzuur behandelde media van kuilvoer met een hoger drogestofgehalte. Vergelijkbare studies zouden in de toekomst moeten worden uitgevoerd voor andere veelvoorkomende kuilvoerpathogenen zoals Salmonella en pathogene E. coli. Een uitgebreidere 16S rDNA-sequentieanalyse van de gehele microbiële gemeenschap in het kuilvoer kan ook helpen om veranderingen in de algehele microbiële populatie van het kuilvoer te identificeren die optreden in verschillende stadia van de kuilvoerfermentatie in aanwezigheid van mierenzuur (103). Het verkrijgen van microbioomgegevens kan analytische ondersteuning bieden om de voortgang van de kuilvoerfermentatie beter te voorspellen en om optimale combinaties van additieven te ontwikkelen om een ​​hoge kuilvoerkwaliteit te behouden.
In graangebaseerde diervoeders wordt mierenzuur gebruikt als antimicrobieel middel om het aantal pathogenen in verschillende graangebaseerde voedermatrices en bepaalde voederingrediënten, zoals dierlijke bijproducten, te beperken. De effecten op de pathogenenpopulaties bij pluimvee en andere dieren kunnen grofweg in twee categorieën worden verdeeld: directe effecten op de pathogenenpopulatie van het voer zelf en indirecte effecten op pathogenen die het maag-darmkanaal van dieren koloniseren na consumptie van het behandelde voer (20, 21, 104). Deze twee categorieën zijn duidelijk met elkaar verbonden, aangezien een vermindering van pathogenen in het voer zou moeten leiden tot een vermindering van de kolonisatie wanneer het dier het voer consumeert. De antimicrobiële eigenschappen van een bepaald zuur dat aan een voedermatrix wordt toegevoegd, kunnen echter door verschillende factoren worden beïnvloed, zoals de samenstelling van het voer en de vorm waarin het zuur wordt toegevoegd (21, 105).
Historisch gezien was het gebruik van mierenzuur en andere verwante zuren vooral gericht op de directe bestrijding van Salmonella in dier- en pluimveevoer (21). De resultaten van deze studies zijn gedetailleerd samengevat in verschillende overzichten die op verschillende tijdstippen zijn gepubliceerd (18, 21, 26, 47, 104–106), dus in dit overzicht worden slechts enkele van de belangrijkste bevindingen uit deze studies besproken. Verschillende studies hebben aangetoond dat de antimicrobiële activiteit van mierenzuur in voermatrices afhangt van de dosis en de blootstellingstijd aan mierenzuur, het vochtgehalte van de voermatrix en de bacteriële concentratie in het voer en het maag-darmkanaal van het dier (19, 21, 107–109). Het type voermatrix en de bron van de diervoederingrediënten zijn ook beïnvloedende factoren. Uit diverse onderzoeken is gebleken dat de niveaus van Salmonella-bacteriën die geïsoleerd zijn uit dierlijke bijproducten kunnen verschillen van die welke geïsoleerd zijn uit plantaardige bijproducten (39, 45, 58, 59, 110–112). Verschillen in de reactie op zuren zoals mierenzuur kunnen echter verband houden met verschillen in de overleving van serovars in het voer en de temperatuur waarbij het voer wordt verwerkt (19, 113, 114). Verschillen in de reactie van serovars op een zuurbehandeling kunnen ook een factor zijn bij de besmetting van pluimvee met besmet voer (113, 115), en verschillen in de expressie van virulentiegenen (116) kunnen eveneens een rol spelen. Verschillen in zuurtolerantie kunnen op hun beurt de detectie van Salmonella in kweekmedia beïnvloeden als de zuren in het voer niet voldoende gebufferd zijn (21, 105, 117–122). De fysieke vorm van het voer (qua deeltjesgrootte) kan ook de relatieve beschikbaarheid van mierenzuur in het maag-darmkanaal beïnvloeden (123).
Strategieën om de antimicrobiële activiteit van mierenzuur dat aan voer wordt toegevoegd te optimaliseren, zijn eveneens cruciaal. Hogere concentraties van het zuur zijn voorgesteld voor sterk verontreinigde voeringrediënten vóór het mengen van het voer om potentiële schade aan de apparatuur van de voerfabriek en problemen met de smakelijkheid van het diervoer te minimaliseren (105). Jones (51) concludeerde dat Salmonella die aanwezig is in voer vóór chemische reiniging moeilijker te bestrijden is dan Salmonella die in contact komt met voer na chemische behandeling. Thermische behandeling van voer tijdens de verwerking in de voerfabriek is voorgesteld als een interventie om Salmonella-besmetting van voer te beperken, maar dit hangt af van de samenstelling van het voer, de deeltjesgrootte en andere factoren die verband houden met het maalproces (51). De antimicrobiële activiteit van zuren is ook temperatuurafhankelijk, en verhoogde temperaturen in aanwezigheid van organische zuren kunnen een synergetisch remmend effect hebben op Salmonella, zoals waargenomen in vloeibare culturen van Salmonella (124, 125). Verschillende studies naar met Salmonella verontreinigd voer ondersteunen het idee dat verhoogde temperaturen de effectiviteit van zuren in de voermatrix verhogen (106, 113, 126). Amado et al. (127) gebruikten een centraal composietontwerp om de interactie van temperatuur en zuur (mierenzuur of melkzuur) te bestuderen in 10 stammen van Salmonella enterica en Escherichia coli, geïsoleerd uit verschillende soorten veevoer en geïnoculeerd in verzuurde veevoerpellets. Ze concludeerden dat warmte de dominante factor was die de microbiële reductie beïnvloedde, samen met zuur en het type bacterie-isolaat. Het synergetische effect met zuur blijft overheersen, waardoor lagere temperaturen en zuurconcentraties gebruikt kunnen worden. Ze merkten echter ook op dat synergetische effecten niet altijd werden waargenomen bij gebruik van mierenzuur, wat hen deed vermoeden dat vervluchtiging van mierenzuur bij hogere temperaturen of bufferende effecten van componenten van de voermatrix een rol speelden.
Het beperken van de houdbaarheid van voer voordat het aan dieren wordt gevoerd, is een manier om de introductie van door voedsel overgedragen ziekteverwekkers in het lichaam van het dier tijdens het voeren te beheersen. Echter, zodra het zuur in het voer het maag-darmkanaal is binnengedrongen, kan het zijn antimicrobiële werking blijven uitoefenen. De antimicrobiële werking van exogeen toegediende zure stoffen in het maag-darmkanaal kan afhangen van diverse factoren, waaronder de concentratie maagzuur, de actieve plaats in het maag-darmkanaal, de pH en het zuurstofgehalte van het maag-darmkanaal, de leeftijd van het dier en de relatieve samenstelling van de microbiële populatie in het maag-darmkanaal (die afhangt van de locatie in het maag-darmkanaal en de volwassenheid van het dier) (21, 24, 128–132). Bovendien produceert de populatie van anaërobe micro-organismen die in het maag-darmkanaal aanwezig is (en die dominant wordt in het onderste deel van het spijsverteringskanaal van monogastrische dieren naarmate ze volwassen worden) actief organische zuren door fermentatie, die op hun beurt ook een antagonistisch effect kunnen hebben op voorbijgaande pathogenen die het maag-darmkanaal binnenkomen (17, 19-21).
Veel van het vroege onderzoek richtte zich op het gebruik van organische zuren, waaronder formiaat, om Salmonella in het maag-darmkanaal van pluimvee te beperken, wat in detail is besproken in verschillende overzichten (12, 20, 21). Wanneer deze studies gezamenlijk worden bekeken, kunnen verschillende belangrijke observaties worden gedaan. McHan en Shotts (133) rapporteerden dat het voeren van mierenzuur en propionzuur de hoeveelheid Salmonella Typhimurium in het blindedarm van kippen die met de bacterie waren geïnoculeerd, verminderde en deze hoeveelheid kwantificeerde op 7, 14 en 21 dagen leeftijd. Hume et al. (128) concludeerden echter, toen ze C-14-gelabeld propionaat monitorden, dat er zeer weinig propionaat in het dieet de blindedarm bereikt. Het moet nog worden vastgesteld of dit ook geldt voor mierenzuur. Recentelijk hebben Bourassa et al. (134) meldde dat het voeren van mierenzuur en propionzuur de hoeveelheid Salmonella Typhimurium in het blindedarm van kippen die met de bacterie waren geïnoculeerd, verminderde. Deze hoeveelheid werd gekwantificeerd op 7, 14 en 21 dagen leeftijd. (132) merkte op dat het voeren van mierenzuur met 4 g/t aan vleeskuikens gedurende de groeiperiode van 6 weken de concentratie van S. Typhimurium in de blindedarm verlaagde tot onder de detectiegrens.
De aanwezigheid van mierenzuur in het voer kan effecten hebben op andere delen van het maag-darmkanaal van pluimvee. Al-Tarazi en Alshavabkeh (134) toonden aan dat een mengsel van mierenzuur en propionzuur de besmetting met Salmonella pullorum (S. PRlorum) in de krop en blindedarm kon verminderen. Thompson en Hinton (129) observeerden dat een commercieel verkrijgbaar mengsel van mierenzuur en propionzuur de concentratie van beide zuren in de krop en spiermaag verhoogde en bacteriedodend was tegen Salmonella Enteritidis PT4 in een in vitro-model onder representatieve opfokomstandigheden. Deze opvatting wordt ondersteund door in vivo-gegevens van Bird et al. (135), die mierenzuur toevoegden aan het drinkwater van vleeskuikens tijdens een gesimuleerde vastenperiode voorafgaand aan transport, vergelijkbaar met de vastenperiode die vleeskuikens ondergaan voorafgaand aan transport naar een pluimveeslachterij. Toevoeging van mierenzuur aan het drinkwater resulteerde in een vermindering van het aantal S. Typhimurium in de krop en de epididymis, en een vermindering van de frequentie van S. Typhimurium-positieve kroppen, maar niet van het aantal positieve epididymis (135). De ontwikkeling van toedieningssystemen die organische zuren kunnen beschermen terwijl ze actief zijn in het onderste deel van het maag-darmkanaal, kan de werkzaamheid verbeteren. Zo is bijvoorbeeld aangetoond dat micro-encapsulatie van mierenzuur en de toevoeging ervan aan het voer het aantal Salmonella Enteritidis in de blindedarminhoud vermindert (136). Dit kan echter variëren afhankelijk van de diersoort. Walia et al. (137) observeerden geen vermindering van Salmonella in het blindedarm of de lymfeklieren van 28 dagen oude varkens die een mengsel van mierenzuur, citroenzuur en capsules met etherische olie kregen, en hoewel de uitscheiding van Salmonella in de ontlasting op dag 14 was verminderd, was deze op dag 28 niet verminderd. Ze toonden aan dat horizontale overdracht van Salmonella tussen varkens werd voorkomen.
Hoewel onderzoek naar mierenzuur als antimicrobieel middel in de veehouderij zich voornamelijk heeft gericht op via voedsel overgedragen Salmonella, zijn er ook enkele studies die zich richten op andere gastro-intestinale pathogenen. In vitro-onderzoeken van Kovanda et al. (68) suggereren dat mierenzuur mogelijk ook effectief is tegen andere gastro-intestinale, via voedsel overgedragen pathogenen, waaronder Escherichia coli en Campylobacter jejuni. Eerdere studies hebben aangetoond dat organische zuren (bijvoorbeeld melkzuur) en commerciële mengsels die mierenzuur als ingrediënt bevatten, de Campylobacter-niveaus in pluimvee kunnen verlagen (135, 138). Zoals eerder opgemerkt door Beyer et al. (67), is voorzichtigheid geboden bij het gebruik van mierenzuur als antimicrobieel middel tegen Campylobacter. Deze bevinding is met name problematisch voor voedingssupplementen in de pluimveehouderij, omdat mierenzuur de primaire energiebron voor de ademhaling van C. jejuni is. Bovendien wordt aangenomen dat een deel van de gastro-intestinale niche te danken is aan metabolische kruisvoeding met gemengde zuurfermentatieproducten die door gastro-intestinale bacteriën worden geproduceerd, zoals formiaat (139). Deze opvatting heeft enige basis. Omdat formiaat een chemoattractant is voor C. jejuni, hebben dubbele mutanten met defecten in zowel formiaatdehydrogenase als -hydrogenase een lagere mate van cecale kolonisatie bij vleeskuikens vergeleken met wildtype C. jejuni-stammen (140, 141). Het is nog steeds onduidelijk in hoeverre externe suppletie met mierenzuur de kolonisatie van het gastro-intestinale tractus door C. jejuni bij kippen beïnvloedt. De werkelijke gastro-intestinale formiaatconcentraties kunnen lager zijn als gevolg van formiaatkatabolisme door andere gastro-intestinale bacteriën of formiaatabsorptie in het bovenste deel van het gastro-intestinale tractus, waardoor verschillende variabelen hierop van invloed kunnen zijn. Daarnaast is formiaat een potentieel fermentatieproduct dat door sommige gastro-intestinale bacteriën wordt geproduceerd, wat de totale gastro-intestinale formiaatniveaus kan beïnvloeden. Kwantificering van formiaat in de maag-darminhoud en identificatie van formiaatdehydrogenasegenen met behulp van metagenomica kunnen inzicht geven in bepaalde aspecten van de ecologie van formiaatproducerende micro-organismen.
Roth et al. (142) vergeleken de effecten van het voeren van het antibioticum enrofloxacine of een mengsel van mierenzuur, azijnzuur en propionzuur aan vleeskuikens op de prevalentie van antibioticumresistente Escherichia coli. Het totale aantal en het aantal antibioticumresistente E. coli-isolaten werden geteld in gepoolde fecale monsters van 1 dag oude vleeskuikens en in blindedarmmonsters van 14 en 38 dagen oude vleeskuikens. E. coli-isolaten werden getest op resistentie tegen ampicilline, cefotaxime, ciprofloxacine, streptomycine, sulfamethoxazol en tetracycline volgens eerder vastgestelde grenswaarden voor elk antibioticum. Toen de respectievelijke E. coli-populaties werden gekwantificeerd en gekarakteriseerd, veranderden noch enrofloxacine noch de zuurcocktail de totale aantallen E. coli die uit de blindedarm van 17 en 28 dagen oude vleeskuikens werden geïsoleerd. Vogels die een dieet kregen aangevuld met enrofloxacine vertoonden verhoogde aantallen ciprofloxacine-, streptomycine-, sulfamethoxazol- en tetracycline-resistente E. coli en verlaagde aantallen cefotaxime-resistente E. coli in de blindedarm. Vogels die een cocktail van zuren kregen, vertoonden een afname van het aantal ampicilline- en tetracycline-resistente E. coli in de blindedarm in vergelijking met de controlegroep en de vogels die enrofloxacine kregen. Vogels die een mengsel van zuren kregen, vertoonden ook een afname van het aantal ciprofloxacine- en sulfamethoxazol-resistente E. coli in de blindedarm in vergelijking met vogels die enrofloxacine kregen. Het mechanisme waarmee zuren het aantal antibioticaresistente E. coli verminderen zonder het totale aantal E. coli te verlagen, is nog onduidelijk. De resultaten van de studie van Roth et al. komen echter overeen met die van de enrofloxacinegroep. (142) Dit kan een indicatie zijn van een verminderde verspreiding van antibioticaresistentiegenen in E. coli, zoals de plasmide-gebonden remmers beschreven door Cabezon et al. (143). Het zou interessant zijn om een ​​meer diepgaande analyse uit te voeren van plasmide-gemedieerde antibioticaresistentie in de gastro-intestinale populatie van pluimvee in aanwezigheid van voederadditieven zoals mierenzuur en om deze analyse verder te verfijnen door het gastro-intestinale resistoom te beoordelen.
De ontwikkeling van optimale antimicrobiële voederadditieven tegen pathogenen zou idealiter een minimale impact moeten hebben op de algehele darmflora, met name op de microbiota die als gunstig voor de gastheer worden beschouwd. Exogeen toegediende organische zuren kunnen echter schadelijke effecten hebben op de aanwezige darmflora en tot op zekere hoogte hun beschermende eigenschappen tegen pathogenen tenietdoen. Thompson en Hinton (129) observeerden bijvoorbeeld verlaagde melkzuurspiegels in de krop van legkippen die een mengsel van mierenzuur en propionzuur kregen, wat suggereert dat de aanwezigheid van deze exogene organische zuren in de krop resulteerde in een afname van de lactobacillen in de krop. Lactobacillen in de krop worden beschouwd als een barrière tegen Salmonella, en daarom kan verstoring van deze aanwezige kropmicrobiota schadelijk zijn voor het succesvol terugdringen van Salmonella-kolonisatie van het maag-darmkanaal (144). Açıkgöz et al. ontdekten dat de effecten op het onderste deel van het maag-darmkanaal bij vogels mogelijk minder ernstig zijn. (145) Er werden geen verschillen gevonden in de totale darmflora of het aantal Escherichia coli bij 42 dagen oude vleeskuikens die water dronken dat was aangezuurd met mierenzuur. De auteurs suggereerden dat dit te wijten kan zijn aan het feit dat formiaat wordt gemetaboliseerd in het bovenste deel van het maag-darmkanaal, zoals ook is waargenomen door andere onderzoekers bij exogeen toegediende korteketenvetzuren (SCFA) (128, 129).
Het beschermen van mierenzuur door middel van een of andere vorm van inkapseling kan ervoor zorgen dat het de onderste delen van het maag-darmkanaal bereikt. (146) merkte op dat micro-ingekapseld mierenzuur het totale gehalte aan kortketenige vetzuren (SCFA) in het blindedarm van varkens significant verhoogde in vergelijking met varkens die onbeschermd mierenzuur kregen. Dit resultaat bracht de auteurs ertoe te suggereren dat mierenzuur de onderste delen van het maag-darmkanaal effectief kan bereiken als het op de juiste manier wordt beschermd. Verschillende andere parameters, zoals de formiaat- en lactaatconcentraties, waren weliswaar hoger dan die bij varkens die een controledieet kregen, maar verschilden statistisch gezien niet van die bij varkens die een onbeschermd formiaatdieet kregen. Hoewel varkens die zowel onbeschermd als beschermd mierenzuur kregen een bijna drievoudige toename van melkzuur vertoonden, werden de aantallen lactobacillen door geen van beide behandelingen beïnvloed. De verschillen kunnen nog groter zijn voor andere melkzuurproducerende micro-organismen in het blindedarm (1) die niet door deze methoden worden gedetecteerd en/of (2) waarvan de metabolische activiteit wordt beïnvloed, waardoor het fermentatiepatroon verandert en de aanwezige lactobacillen meer melkzuur produceren.
Om de effecten van voederadditieven op het maag-darmkanaal van landbouwhuisdieren nauwkeuriger te bestuderen, zijn methoden voor microbiële identificatie met een hogere resolutie nodig. De afgelopen jaren is next-generation sequencing (NGS) van het 16S RNA-gen gebruikt om microbioomtaxa te identificeren en de diversiteit van microbiële gemeenschappen te vergelijken (147), wat heeft geleid tot een beter begrip van de interacties tussen voederadditieven en de gastro-intestinale microbiota van voedselproducerende dieren zoals pluimvee.
Verschillende studies hebben gebruikgemaakt van microbiomsequencing om de respons van het gastro-intestinale microbioom van kippen op formiaatsuppletie te evalueren. Oakley et al. (148) voerden een onderzoek uit bij 42 dagen oude vleeskuikens die werden aangevuld met verschillende combinaties van mierenzuur, propionzuur en middellangeketen vetzuren in hun drinkwater of voer. Geïmmuniseerde kippen werden besmet met een nalidixinezuurresistente Salmonella typhimurium-stam en hun blindedarmen werden verwijderd op 0, 7, 21 en 42 dagen leeftijd. Blindedarmmonsters werden voorbereid voor 454 pyrosequencing en de sequencingresultaten werden geëvalueerd voor classificatie en vergelijking van gelijkenissen. Over het algemeen hadden de behandelingen geen significant effect op het blindedarmmicrobioom of de S. Typhimurium-niveaus. De algehele detectiepercentages van Salmonella namen echter af naarmate de vogels ouder werden, zoals bevestigd door taxonomische analyse van het microbioom, en de relatieve abundantie van Salmonella-sequenties nam ook af in de loop van de tijd. De auteurs merken op dat naarmate de vleeskuikens ouder werden, de diversiteit van de microbiële populatie in de blindedarm toenam, waarbij de meest significante veranderingen in de gastro-intestinale flora werden waargenomen in alle behandelingsgroepen. In een recent onderzoek vergeleken Hu et al. (149) de effecten van drinkwater en voeding met een dieet aangevuld met een mengsel van organische zuren (mierenzuur, azijnzuur, propionzuur en ammoniumformiaat) en virginiamycine op monsters van het blindedarmmicrobioom van vleeskuikens, verzameld in twee stadia (1-21 dagen en 22-42 dagen). Hoewel er op 21 dagen leeftijd enkele verschillen in de diversiteit van het blindedarmmicrobioom werden waargenomen tussen de behandelingsgroepen, werden er op 42 dagen geen verschillen in de diversiteit van α- of β-bacteriën gedetecteerd. Gezien het ontbreken van verschillen op 42 dagen leeftijd, veronderstelden de auteurs dat het groeivoordeel te danken zou kunnen zijn aan de vroegere vestiging van een optimaal divers microbioom.
Microbioomanalyse die zich alleen richt op de microbiële gemeenschap in de blindedarm weerspiegelt mogelijk niet waar in het maag-darmkanaal de meeste effecten van organische zuren in het voer optreden. Het microbioom van het bovenste deel van het maag-darmkanaal van vleeskuikens is mogelijk gevoeliger voor de effecten van organische zuren in het voer, zoals gesuggereerd door de resultaten van Hume et al. (128). Hume et al. (128) toonden aan dat het grootste deel van het exogeen toegevoegde propionaat werd geabsorbeerd in het bovenste deel van het maag-darmkanaal van vogels. Recente studies naar de karakterisering van micro-organismen in het maag-darmkanaal ondersteunen dit standpunt. Nava et al. (150) toonden aan dat een combinatie van een mengsel van organische zuren [DL-2-hydroxy-4(methylthio)boterzuur], mierenzuur en propionzuur (HFP) de darmmicrobiota beïnvloedde en de kolonisatie van Lactobacillus in het ileum van kippen verhoogde. Recentelijk hebben Goodarzi Borojeni et al. (150) toonde aan dat een combinatie van een mengsel van organische zuren [DL-2-hydroxy-4(methylthio)boterzuur], mierenzuur en propionzuur (HFP) de darmmicrobiota beïnvloedde en de kolonisatie van Lactobacillus in het ileum van kippen verhoogde. (151) onderzocht het voeren van vleeskuikens met een mengsel van mierenzuur en propionzuur in twee concentraties (0,75% en 1,50%) gedurende 35 dagen. Aan het einde van het experiment werden de krop, maag, de distale twee derde van het ileum en het blindedarm verwijderd en werden monsters genomen voor kwantitatieve analyse van specifieke gastro-intestinale flora en metabolieten met behulp van RT-PCR. In kweek had de concentratie van organische zuren geen invloed op de abundantie van Lactobacillus of Bifidobacterium, maar verhoogde de populatie van Clostridium. In het ileum waren de enige veranderingen een afname van Lactobacillus en Enterobacter, terwijl deze flora in de blindedarm onveranderd bleef (151). Bij de hoogste concentratie organische zuren werd de totale melkzuurconcentratie (D en L) in de krop verlaagd, de concentratie van beide organische zuren in de spiermaag verlaagd en de concentratie van organische zuren in het blindedarm lager. In het ileum werden geen veranderingen waargenomen. Wat betreft de korteketen vetzuren (SCFA's) was de enige verandering in de krop en spiermaag van de vogels die organische zuren kregen, de propionaatconcentratie. Vogels die de lagere concentratie organische zuren kregen, vertoonden een bijna tienvoudige toename van propionaat in de krop, terwijl vogels die beide concentraties organische zuren kregen, respectievelijk een acht- en vijftienvoudige toename van propionaat in de spiermaag vertoonden. De toename van acetaat in het ileum was minder dan tweevoudig. Over het geheel genomen ondersteunen deze gegevens de opvatting dat de meeste effecten van externe toediening van organische zuren zichtbaar waren in de opbrengst, terwijl organische zuren minimale effecten hadden op de microbiële gemeenschap in het onderste deel van het maag-darmkanaal. Dit suggereert dat de fermentatiepatronen van de residente flora in het bovenste deel van het maag-darmkanaal mogelijk zijn veranderd.
Het is duidelijk dat een meer diepgaande karakterisering van het microbioom nodig is om de microbiële reacties op formiaat in het gehele maag-darmkanaal volledig te begrijpen. Een meer gedetailleerde analyse van de microbiële taxonomie van specifieke maag-darmcompartimenten, met name de bovenste compartimenten zoals de krop, kan meer inzicht geven in de selectie van bepaalde groepen micro-organismen. Hun metabolische en enzymatische activiteiten kunnen ook bepalen of ze een antagonistische relatie hebben met pathogenen die het maag-darmkanaal binnenkomen. Het zou ook interessant zijn om metagenomische analyses uit te voeren om te bepalen of blootstelling aan zure chemische additieven gedurende het leven van vogels selecteert voor meer "zuurtolerante" residente bacteriën, en of de aanwezigheid en/of metabolische activiteit van deze bacteriën een extra barrière vormt tegen kolonisatie door pathogenen.
Mierenzuur wordt al vele jaren gebruikt als chemisch additief in diervoeder en als verzuringsmiddel voor kuilvoer. Een van de belangrijkste toepassingen is de antimicrobiële werking om het aantal pathogenen in voer en hun daaropvolgende kolonisatie in het maag-darmkanaal van vogels te beperken. In vitro-onderzoeken hebben aangetoond dat mierenzuur een relatief effectief antimicrobieel middel is tegen Salmonella en andere pathogenen. Het gebruik van mierenzuur in voermatrices kan echter beperkt worden door de hoge hoeveelheid organische stof in voeringrediënten en hun potentiële buffercapaciteit. Mierenzuur lijkt een antagonistisch effect te hebben op Salmonella en andere pathogenen wanneer het via voer of drinkwater wordt ingenomen. Dit antagonisme treedt echter voornamelijk op in het bovenste deel van het maag-darmkanaal, aangezien de mierenzuurconcentraties in het onderste deel van het maag-darmkanaal lager kunnen zijn, zoals het geval is bij propionzuur. Het concept van het beschermen van mierenzuur door middel van inkapseling biedt een potentiële benadering om meer zuur in het onderste deel van het maag-darmkanaal te brengen. Bovendien hebben studies aangetoond dat een mengsel van organische zuren effectiever is in het verbeteren van de prestaties van pluimvee dan de toediening van een enkel zuur (152). Campylobacter in het maag-darmkanaal kan anders reageren op formiaat, omdat het formiaat als elektronendonor kan gebruiken en formiaat zijn belangrijkste energiebron is. Het is onduidelijk of een verhoging van de formiaatconcentraties in het maag-darmkanaal gunstig zou zijn voor Campylobacter, en dit is mogelijk niet het geval, afhankelijk van andere darmflora die formiaat als substraat kunnen gebruiken.
Er zijn aanvullende studies nodig om de effecten van mierenzuur in het maag-darmkanaal op niet-pathogene, residente microben in het maag-darmkanaal te onderzoeken. We geven er de voorkeur aan om pathogenen selectief aan te pakken zonder de leden van het maag-darmmicrobioom die gunstig zijn voor de gastheer te verstoren. Dit vereist echter een meer diepgaande analyse van de microbioomsequentie van deze residente microbiële gemeenschappen in het maag-darmkanaal. Hoewel er al enkele studies zijn gepubliceerd over het cecale microbioom van met mierenzuur behandelde vogels, is er meer aandacht nodig voor de microbiële gemeenschap in het bovenste deel van het maag-darmkanaal. De identificatie van micro-organismen en de vergelijking van overeenkomsten tussen microbiële gemeenschappen in het maag-darmkanaal in aanwezigheid of afwezigheid van mierenzuur is mogelijk een onvolledige beschrijving. Aanvullende analyses, waaronder metabolomics en metagenomics, zijn nodig om functionele verschillen tussen compositioneel vergelijkbare groepen te karakteriseren. Een dergelijke karakterisering is cruciaal om de relatie tussen de microbiële gemeenschap in het maag-darmkanaal en de prestatiereacties van vogels op op mierenzuur gebaseerde verbeteringsmiddelen vast te stellen. Door meerdere benaderingen te combineren om de gastro-intestinale functie nauwkeuriger in kaart te brengen, kunnen effectievere strategieën voor de suppletie met organische zuren worden ontwikkeld. Dit zal uiteindelijk leiden tot betere voorspellingen van optimale gezondheid en prestaties van vogels, terwijl de risico's voor de voedselveiligheid worden beperkt.
SR schreef deze recensie met hulp van DD en KR. Alle auteurs hebben een substantiële bijdrage geleverd aan het werk dat in deze recensie wordt gepresenteerd.
De auteurs verklaren dat deze review financiering heeft ontvangen van Anitox Corporation voor het schrijven en publiceren ervan. De financiers hebben geen invloed gehad op de standpunten en conclusies die in dit reviewartikel worden geuit, noch op de beslissing om het te publiceren.
De overige auteurs verklaren dat het onderzoek is uitgevoerd zonder commerciële of financiële belangen die als een potentieel belangenconflict zouden kunnen worden beschouwd.
Dr. DD wil graag de steun erkennen van de Graduate School van de Universiteit van Arkansas in de vorm van een Distinguished Teaching Fellowship, evenals de voortdurende steun van het Cell and Molecular Biology Program en de afdeling Voedingswetenschappen van de Universiteit van Arkansas. Daarnaast willen de auteurs Anitox bedanken voor de initiële ondersteuning bij het schrijven van dit overzicht.
1. Dibner JJ, Richards JD. Gebruik van antibiotische groeibevorderaars in de landbouw: geschiedenis en werkingsmechanismen. Poultry Science (2005) 84:634–43. doi: 10.1093/ps/84.4.634
2. Jones FT, Rick SC. Geschiedenis van de ontwikkeling en bewaking van antimicrobiële middelen in pluimveevoer. Poultry Science (2003) 82:613–7. doi: 10.1093/ps/82.4.613
3. Broom LJ. Subinhiberende theorie van antibiotische groeibevorderaars. Poultry Science (2017) 96:3104–5. doi: 10.3382/ps/pex114
4. Sorum H, L'Abe-Lund TM. Antibioticaresistentie bij voedseloverdragende bacteriën – gevolgen van verstoringen in wereldwijde bacteriële genetische netwerken. 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. Voedingsadditieven voor de bestrijding van Salmonella in diervoeder. World Journal of Poultry Science (2002) 58:501–13. doi: 10.1079/WPS20020036
6. Angulo FJ, Baker NL, Olsen SJ, Anderson A, Barrett TJ. Antimicrobieel gebruik in de landbouw: het beheersen van de overdracht van antimicrobiële resistentie op de mens. 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. Voedselproductieomgevingen en de evolutie van antimicrobiële resistentie in van dieren afgeleide menselijke pathogenen. Microbiology (2017) 5:11. doi: 10.3390/microorganisms5010011
8. Lourenço JM, Seidel DS, Callaway TR. Hoofdstuk 9: Antibiotica en darmfunctie: geschiedenis en huidige status. In: Ricke SC, red. Verbetering van de darmgezondheid bij pluimvee. Cambridge: Burley Dodd (2020). Pagina's 189–204. DOI: 10.19103/AS2019.0059.10
9. Rick SC. Nr. 8: Voerhygiëne. In: Dewulf J, van Immerzeel F, red. Bioveiligheid in de dierlijke productie en diergeneeskunde. Leuven: ACCO (2017). Pagina's 144–76.