ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ ГРУППЫ МИКРООРГАНИЗМОВ РУБЦА ЖВАЧНЫХ ЖИВОТНЫХ

АННОТАЦИЯ

В обзоре представлена детальная характеристика ключевых функциональных групп микроорганизмов рубца крупного рогатого скота. Основное внимание уделено целлюлолитическим бактериям (Fibrobacter succinogenes, Ruminococcus flavefaciens, Ruminococcus albus), амилолитическим и сахаролитическим видам (Streptococcus bovis, Ruminobacter amylophilus, Succinimonas amylolytica), универсальным таксонам (Prevotella spp., Butyrivibrio fibrisolvens), протеолитическим и гидрогеногенным бактериям (Clostridium spp.), простейшим (Entodinium, Isotricha) и метаногенным археям. Приведены данные по их таксономии, морфологии, метаболическим путям, механизмам деградации субстратов (включая целлосому) и чувствительности к водороду. Особое внимание уделено экологическим нишам в микробном консорциуме рубца и синтрофным взаимодействиям, основанным на межвидовом переносе водорода, как ключевому механизму поддержания эффективности ферментации.

ABSTRACT

The review provides a detailed description of the key functional groups of microorganisms in the cattle rumen. The main attention is paid to cellulolytic bacteria (Fibrobacter succinogenes, Ruminococcus flavefaciens, Ruminococcus albus), amylolytic and saccharolytic species (Streptococcus bovis, Ruminobacter amylophilus, Succinimonas amylolytica), universal taxa (Prevotella spp., Butyrivibrio fibrisolvens), proteolytic and hydrogenogenic bacteria (Clostridium spp.), protozoa (Entodinium, Isotricha) and methanogenic the archaea. Data on their taxonomy, morphology, metabolic pathways, mechanisms of degradation of substrates (including the cellosome), and sensitivity to hydrogen are presented. Special attention is paid to ecological niches in the microbial consortium of the scar and syntrophic interactions based on interspecific hydrogen transfer as a key mechanism for maintaining fermentation efficiency.

Keywords: rumen microbiome, cellulolytic bacteria, cattle, cows, syntrophic interactions, methanogenic archaea.

Ключевые слова: микробиом рубца, целлюлолитические бактерии, КРС, корова, синтрофные взаимодействия, метаногенные археи.

Введение

Рубец жвачных животных представляет собой сложную анаэробную экосистему, в которой сообщество микроорганизмов обеспечивает деградацию и ферментацию растительной биомассы [1]. Среди ключевых участников этих процессов — облигатно-анаэробные бактерии Fibrobacter succinogenes, Ruminococcus flavefaciens и Ruminococcus albus, специализирующиеся на гидролизе структурных полисахаридов клеточной стенки растений, прежде всего целлюлозы и гемицеллюлоз [2, 3]. Несмотря на схожую экологическую нишу, эти микроорганизмы демонстрируют существенные различия в филогении, молекулярных механизмах деградации субстрата и стратегиях метаболизма [4]. Целью настоящего обзора является систематизация современных данных о функциональных группах микробиома рубца, их метаболическом потенциале и роли в поддержании гомеостаза экосистемы.

Результаты исследования

Анализ современных данных по микробиому рубца позволяет выделить несколько ключевых закономерностей, подтверждённых как классическими, так и геномно-ориентированными исследованиями.

Во-первых, доминирующая роль трёх целлюлолитических бактерий — Fibrobacter succinogenes, Ruminococcus flavefaciens и Ruminococcus albus — в деградации структурных полисахаридов остаётся неоспоримой, однако их экологические стратегии значительно различаются.

Во-вторых, выявлена функциональная пластичность таксонов из группы Bacteroidetes, особенно рода Prevotella. Эти микроорганизмы не только деградируют гемицеллюлозы и пептиды, но и способны переключать метаболический путь с ацетатного на пропионатный в ответ на повышение концентрации сахаров в рубце.

В-третьих, получены доказательства того, что синтрофные взаимодействия, основанные на межвидовом переносе водорода, выполняют фундаментальную термодинамическую функцию, являясь необходимым условием для поддержания метаболического гомеостаза и продуктивности микробного сообщества рубца.

Микробный консорциум рубца представляет собой высоко интегрированную экосистему с выраженной функциональной стратификацией и межвидовой кооперацией. Распределение метаболических ниш между целлюлолитическими, амилолитическими и сахаролитическими таксонами, дополненное пластичностью универсальных деструкторов и активностью эукариот, формирует многоуровневую трофическую сеть. Протеосинтетическая активность рубцового микробиоты, осуществляемая консорциумом бактерий, инфузорий и грибов, является основным источником биологически ценного белка для жвачных животных (Рис. 1).

Рисунок 1. Интеграция процессов в рубцовой экосистеме и направления использования продуктов

Целлюлолитические бактерии Fibrobacter succinogenes относится к домену Bacteria, типу Fibrobacteres, классу Fibrobacteria, порядку Fibrobacterales, семейству Fibrobacteraceae [5]. Филогенетически тип Fibrobacteres представляет собой эволюционно изолированную линию, значительно дивергировавшую от других бактериальных филумов. Морфологически — плеоморфная грамотрицательная палочка с заострёнными концами, способная образовывать цепочки [6]. Обладает выраженной капсулой, обеспечивающей адгезию к целлюлозным волокнам. Характеризуется облигатно-анаэробным метаболизмом. Эффективно гидролизует кристаллическую целлюлозу и пектиновые вещества [7]. Продукты ферментации: сукцинат, ацетат, формиат. Механизм деградации целлюлозы реализуется через мембраносвязанные мультиферментные комплексы (протеосомы), структурно отличающиеся от классических целлосом [8]. Занимает нишу первичного деструктора целлюлозы.

Ruminococcus flavefaciens принадлежит к домену Bacteria, типу Firmicutes, классу Clostridia, порядку Lachnospirales, семейству Lachnospiraceae. Представлен грамположительными кокками, расположенными в виде дипло- или стрептококковых цепочек, с выраженной капсулой и отсутствием подвижности. Является строго анаэробным организмом. Деградирует как целлюлозу, так и гемицеллюлозы (ксиланы) [9, 10]. Продукты ферментации: ацетат, формиат, этанол, молекулярный водород. Штамм служит модельным организмом для изучения классической целлосомы — надмолекулярного комплекса, состоящего из скаффолдинговых белков (кохезины) и гидролаз (докерины). Экологическая роль — универсальный деструктор структурных полисахаридов [11].

Ruminococcus albus относится к домену Bacteria, типу Firmicutes, классу Clostridia, порядку Clostridiales, семейству Ruminococcaceae. Морфологически — грамположительные кокки овальной формы, образующие цепочки, с капсулой и без подвижности. Отличается строгим анаэробиозом и высокой чувствительностью к остаточному кислороду. Гидролизует целлюлозу и ксилан с образованием этанола, ацетата, формиата и H₂. Целлюлолитическая система включает целлюлосомоподобные структуры и свободные эндоглюканазы. Высокая чувствительность к накоплению H₂ определяет зависимость от синтрофных взаимодействий с гидрогенотрофами [12].

Streptococcus bovis (Firmicutes) — факультативно-анаэробный сахаролитик с r-стратегией роста. При избытке легкодоступных углеводов осуществляетгомоферментативное молочнокислое брожение с образованием лактата, что связано с развитием рубцового ацидоза [13].

Ruminobacter amylophilus (Proteobacteria) — облигатный амилолитик, требовательный к аммонийному азоту. Деградирует крахмал с образованием ацетата и сукцината [14].

Succinimonas amylolytica (Proteobacteria) — специализируется на сукцинатном типе брожения крахмала [15].

Prevotella spp. (Bacteroidetes) — доминирующие универсалы, использующие гемицеллюлозы, пептиды, сахара. Ключевой продукт — пропионат [16].

Butyrivibrio fibrisolvens (Firmicutes) — проявляет свойства вторичного целлюлолитика, характеризуется бутиратным типом метаболизма и выраженной гидрогеногенной активностью [17].

Clostridium spp. (Firmicutes) — группа бактерий с широким субстратным спектром, включая белки, углеводы, органические кислоты. Играют роль в катаболизме разнообразных субстратов при изменении условий среды [18].

Megasphaera elsdenii (Firmicutes) — утилизирует лактат и сахара с образованием бутирата и валерата, выполняет регуляторную функцию при нарушениях рубцовой ферментации [19].

Простейшие родов Entodinium и Isotricha представляют эукариотический компонент микробиоценоза. Питаются путём фагоцитоза (Entodinium) или осмотрофии (Isotricha). Участвуют в гидролизе крахмала, производстве лактата и H₂, а также в регуляции бактериальной популяции [20].

Представлены преимущественно видами рода Methanobrevibacter, особенно M. ruminantium. Осуществляют облигатный гидрогенотрофный метаболизм: восстанавливают CO₂ до CH₄ с использованием H₂ в качестве донора электронов (или используют формиат/ацетат) [21]. Экологическая функция — поддержание низкого парциального давления H₂, что термодинамически благоприятствует брожению и обеспечивает замыкание цикла переноса восстановительных эквивалентов [22].

Ключевым механизмом поддержания эффективности ферментации выступает межвидовой перенос водорода (interspecies hydrogen transfer). Гидрогеногенные бактерии (R. albus, Butyrivibrio, Clostridium, инфузории) передают H₂ метаногенным археям, что снижает его концентрацию и делает термодинамически возможными реакции брожения. Этот процесс обеспечивает термодинамическое равновесие и предотвращает торможение метаболизма при накоплении продуктов распада.

Таблица 1.

 Сравнительная характеристика функциональных групп микробиома рубца

Заключение

Детальное понимание функциональной организации микробных консорциумов рубца имеет фундаментальное значение для ветеринарной науки, микробиологии и биотехнологии. Полученные данные создают научную основу для разработки прецизионных стратегий модуляции микробиоты, направленных на повышение эффективности конверсии корма и оптимизацию азотистого обмена. Перспективными направлениями являются создание пробиотиков, ингибиторов метаногенеза и кормовых добавок, регулирующих соотношение ЛЖК и синтез микробного белка.

Список литературы:

1. Hungate R. E. The Rumen and Its Microbes. New York: Academic Press, 1966. 533 p.
2. Weimer P. J. Why Don't Ruminal Bacteria Digest Cellulose Faster? Journal of Dairy Science. 1996. Vol. 79, № 8. P. 1496–1502.
3. Krause D. O., Denman S. E., Mackie R. I. Opportunities to Improve Fiber Degradation in the Rumen: Microbiology, Ecology, and Genomics. FEMS Microbiology Reviews. 2003. Vol. 27, № 5. P. 663–693.
4. Yeoman C. J., Fields C. J., Lepercq P. In Vivo Competitions between Fibrobacter succinogenes, Ruminococcus flavefaciens, and Ruminococcus albus in a Gnotobiotic Sheep Model Revealed by Multi-omic Analyses. mBio. 2021. Vol. 12, № 2. P. e03533-20.
5. Ransom-Jones E., Jones D. L., McCarthy A. J. The Fibrobacteres: An Important Phylum of Cellulose-Degrading Bacteria. Microbial Ecology. 2012. Vol. 63, № 2. P. 267–281.
6. Suen G., Weimer P. J., Stevenson D. M. The Complete Genome Sequence of Fibrobacter succinogenes S85 Reveals a Cellulolytic and Metabolic Specialist. PLoS One. 2011. Vol. 6, № 4. P. e18814.
7. Scheifinger C. C., Wolin M. J. Propionate Formation from Cellulose and Soluble Sugars by Combined Cultures of Bacteroides succinogenes and Selenomonas ruminantium. Applied Microbiology. 1973. Vol. 26, № 5. P. 789–795.
8. Raut, Mahendra P et al. “Deciphering the unique cellulose degradation mechanism of the ruminal bacterium Fibrobacter succinogenes S85.” Scientific reports vol. 9,1 16542. 12 Nov. 2019, doi:10.1038/s41598-019-52675-8
9. Julliand V., de Vaux A., Millet L. Identification of Ruminococcus flavefaciens as the Predominant Cellulolytic Bacterial Species of the Equine Cecum. Applied and Environmental Microbiology. 1999. Vol. 65, № 8. P. 3738–3741.
10. Berg Miller M. E., Antonopoulos D. A., Rincon M. T. Diversity and Strain Specificity of Plant Cell Wall Degrading Enzymes Revealed by the Draft Genome of Ruminococcus flavefaciens FD-1. PLoS One. 2009. Vol. 4, № 8. P. e6650.
11. Artzi L., Bayer E. A., Morais S. Cellulosomes: Bacterial Nanomachines for Dismantling Plant Polysaccharides. Nature Reviews Microbiology. 2017. Vol. 15, № 2. P. 83–95.
12. Isabel Schober, Julia Koblitz, Joaquim Sardà Carbasse, Christian Ebeling, Marvin Leon Schmidt, Adam Podstawka, Rohit Gupta, Vinodh Ilangovan, Javad Chamanara, Jörg Overmann, Lorenz Christian Reimer, BacDive in 2025: the core database for prokaryotic strain data, Nucleic Acids Research, Volume 53, Issue D1, 6 January 2025, Pages D748–D756,
13. Russell J. B. The Energy Spilling Reactions of Bacteria and Other Organisms. Journal of Molecular Microbiology and Biotechnology. 2007. Vol. 13, № 1–3. P. 1–11.
14. Anderson, K L. “Biochemical analysis of starch degradation by Ruminobacter amylophilus 70.” Applied and environmental microbiology vol. 61,4 (1995): 1488-91. doi:10.1128/aem.61.4.1488-1491.1995
15. BRYANT, M P et al. “Bacteroides ruminicola n. sp. and Succinimonas amylolytica; the new genus and species; species of succinic acid-producing anaerobic bacteria of the bovine rumen.” Journal of bacteriology vol. 76,1 (1958): 15-23. doi:10.1128/jb.76.1.15-23.1958
16. Purushe J., Fouts D. E., Morrison M. Comparative Genome Analysis of Prevotella ruminicola [ныне Prevotella ruminis] and Prevotella bryantii: Insights into Their Environmental Niche. Microbial Ecology. 2010. Vol. 60, № 4. P. 721–729.
17. Paillard D., McKain N., Chaudhary L. C. Relation Between Phylogenetic Position, Lipid Metabolism and Butyrate Production by Different Butyrivibrio-like Bacteria from the Rumen. Antonie van Leeuwenhoek. 2007. Vol. 91, № 4. P. 417–422.
18. Amitay EL, Krilaviciute A, Brenner H. Systematic review: gut microbiota in fecal samples and detection of colorectal neoplasms. Gut Microbes. 2018;9:293–307.
19. Hino T., Shimada K., Maruyama T. Substrate Preference in a Strain of Megasphaera elsdenii, a Ruminal Bacterium, and Its Implications in Propionate Production and Growth Competition. Applied and Environmental Microbiology. 1994. Vol. 60, № 6. P. 1827–1831.
20. Williams A. G., Coleman G. S. The Rumen Protozoa. New York: Springer-Verlag, 1992. 441 p.
21. Janssen P. H., Kirs M. Structure of the Archaeal Community of the Rumen. Applied and Environmental Microbiology. 2008. Vol. 74, № 12. P. 3619–3625.
22. Wolin M. J., Miller T. L., Stewart C. S. Microbe-Microbe Interactions. In: The Rumen Microbial Ecosystem / Ed. by P. N. Hobson, C. S. Stewart. Dordrecht: Springer, 1997. P. 467–491.