Bài viết này là một phần của chủ đề nghiên cứu “Sử dụng thuốc kháng sinh, kháng thuốc kháng sinh và hệ vi sinh vật của động vật thực phẩm”. Xem tất cả 13 bài viết
Các axit hữu cơ vẫn tiếp tục được sử dụng rộng rãi như chất phụ gia trong thức ăn chăn nuôi. Cho đến nay, trọng tâm vẫn là an toàn thực phẩm, đặc biệt là giảm tỷ lệ mắc các tác nhân gây bệnh truyền qua thực phẩm ở gia cầm và các động vật khác. Một số axit hữu cơ hiện đang được nghiên cứu hoặc đã được sử dụng thương mại. Trong số nhiều axit hữu cơ đã được nghiên cứu rộng rãi, axit formic là một trong số đó. Axit formic được thêm vào khẩu phần ăn của gia cầm để hạn chế sự hiện diện của Salmonella và các tác nhân gây bệnh truyền qua thực phẩm khác trong thức ăn và trong đường tiêu hóa sau khi ăn. Khi sự hiểu biết về hiệu quả và tác động của axit formic đối với vật chủ và các tác nhân gây bệnh truyền qua thực phẩm ngày càng tăng, rõ ràng là sự hiện diện của axit formic có thể kích hoạt các con đường cụ thể trong Salmonella. Phản ứng này có thể trở nên phức tạp hơn khi axit formic đi vào đường tiêu hóa và tương tác không chỉ với Salmonella đã cư trú trong đường tiêu hóa mà còn với hệ vi sinh vật đường ruột. Bài đánh giá này sẽ xem xét các kết quả hiện tại và triển vọng nghiên cứu sâu hơn về hệ vi sinh vật của gia cầm và thức ăn được xử lý bằng axit formic.
Trong cả sản xuất gia súc và gia cầm, thách thức là phát triển các chiến lược quản lý nhằm tối ưu hóa tăng trưởng và năng suất đồng thời hạn chế rủi ro an toàn thực phẩm. Trong lịch sử, việc sử dụng kháng sinh ở nồng độ dưới ngưỡng điều trị đã cải thiện sức khỏe, phúc lợi và năng suất của động vật (1–3). Từ góc độ cơ chế hoạt động, người ta cho rằng kháng sinh được sử dụng ở nồng độ dưới ngưỡng ức chế sẽ điều hòa phản ứng của vật chủ bằng cách điều chỉnh hệ vi khuẩn đường tiêu hóa (GI) và từ đó, tương tác của chúng với vật chủ (3). Tuy nhiên, những lo ngại liên tục về khả năng lây lan của các mầm bệnh truyền qua thực phẩm kháng kháng sinh và mối liên hệ tiềm tàng của chúng với các bệnh nhiễm trùng kháng kháng sinh ở người đã dẫn đến việc dần dần ngừng sử dụng kháng sinh trong chăn nuôi (4–8). Do đó, việc phát triển các chất phụ gia và chất cải thiện thức ăn đáp ứng ít nhất một số yêu cầu này (cải thiện sức khỏe, phúc lợi và năng suất của động vật) rất được quan tâm từ cả góc độ nghiên cứu học thuật và phát triển thương mại (5, 9). Nhiều loại chất phụ gia thức ăn thương mại đã thâm nhập thị trường thức ăn chăn nuôi, bao gồm men vi sinh, prebiotic, tinh dầu và các hợp chất liên quan từ nhiều nguồn thực vật khác nhau, và các hóa chất như aldehyd (10–14). Các chất phụ gia thức ăn thương mại khác thường được sử dụng trong chăn nuôi gia cầm bao gồm thực khuẩn thể, oxit kẽm, enzyme ngoại sinh, sản phẩm loại trừ cạnh tranh và các hợp chất axit (15, 16).
Trong số các chất phụ gia thức ăn hóa học hiện có, aldehyd và axit hữu cơ từ lâu đã là những hợp chất được nghiên cứu và sử dụng rộng rãi nhất (12, 17–21). Axit hữu cơ, đặc biệt là axit béo chuỗi ngắn (SCFA), được biết đến là chất đối kháng của vi khuẩn gây bệnh. Các axit hữu cơ này được sử dụng làm chất phụ gia thức ăn không chỉ để hạn chế sự hiện diện của mầm bệnh trong ma trận thức ăn mà còn để tác động tích cực đến chức năng đường tiêu hóa (17, 20–24). Ngoài ra, SCFA được tạo ra bằng quá trình lên men bởi hệ vi khuẩn đường ruột trong đường tiêu hóa và được cho là đóng vai trò cơ chế trong khả năng của một số probiotic và prebiotic để chống lại mầm bệnh được đưa vào đường tiêu hóa (21, 23, 25).
Trong những năm qua, nhiều axit béo chuỗi ngắn (SCFA) đã thu hút nhiều sự chú ý như là chất phụ gia thức ăn chăn nuôi. Đặc biệt, propionat, butyrat và format đã là đối tượng của nhiều nghiên cứu và ứng dụng thương mại (17, 20, 21, 23, 24, 26). Trong khi các nghiên cứu ban đầu tập trung vào việc kiểm soát các tác nhân gây bệnh truyền qua thực phẩm trong thức ăn chăn nuôi gia súc và gia cầm, các nghiên cứu gần đây đã chuyển trọng tâm sang việc cải thiện tổng thể hiệu suất chăn nuôi và sức khỏe đường tiêu hóa (20, 21, 24). Acetat, propionat và butyrat đã thu hút nhiều sự chú ý như là chất phụ gia thức ăn chăn nuôi axit hữu cơ, trong đó axit formic cũng là một ứng cử viên đầy triển vọng (21, 23). Nhiều sự chú ý đã được tập trung vào các khía cạnh an toàn thực phẩm của axit formic, đặc biệt là việc giảm tỷ lệ mắc các tác nhân gây bệnh truyền qua thực phẩm trong thức ăn chăn nuôi. Tuy nhiên, các ứng dụng khả thi khác cũng đang được xem xét. Mục tiêu tổng thể của bài đánh giá này là xem xét lịch sử và tình trạng hiện tại của axit formic như một chất cải thiện thức ăn chăn nuôi (Hình 1). Trong nghiên cứu này, chúng tôi sẽ xem xét cơ chế kháng khuẩn của axit formic. Ngoài ra, chúng ta sẽ xem xét kỹ hơn tác động của nó đối với gia súc và gia cầm, đồng thời thảo luận về các phương pháp khả thi để cải thiện hiệu quả của nó.
Hình 1. Sơ đồ tư duy về các chủ đề được đề cập trong bài đánh giá này. Cụ thể, các mục tiêu tổng quát sau đây đã được tập trung vào: mô tả lịch sử và tình trạng hiện tại của axit formic như một chất cải thiện thức ăn chăn nuôi, cơ chế kháng khuẩn của axit formic và tác động của việc sử dụng nó đối với sức khỏe động vật và gia cầm, và các phương pháp tiềm năng để cải thiện hiệu quả.
Việc sản xuất thức ăn cho gia súc và gia cầm là một hoạt động phức tạp bao gồm nhiều bước, bao gồm xử lý vật lý ngũ cốc (ví dụ: xay xát để giảm kích thước hạt), xử lý nhiệt để tạo viên và bổ sung nhiều chất dinh dưỡng vào khẩu phần ăn tùy thuộc vào nhu cầu dinh dưỡng cụ thể của động vật (27). Với sự phức tạp này, không có gì đáng ngạc nhiên khi quá trình chế biến thức ăn khiến ngũ cốc tiếp xúc với nhiều yếu tố môi trường khác nhau trước khi đến nhà máy sản xuất thức ăn, trong quá trình xay xát và sau đó trong quá trình vận chuyển và cho ăn trong khẩu phần thức ăn hỗn hợp (9, 21, 28). Do đó, qua nhiều năm, một nhóm vi sinh vật rất đa dạng đã được xác định trong thức ăn, bao gồm không chỉ vi khuẩn mà còn cả thực khuẩn thể, nấm và men (9, 21, 28–31). Một số chất gây ô nhiễm này, chẳng hạn như một số loại nấm, có thể sản sinh ra độc tố nấm mốc gây nguy hiểm cho sức khỏe của động vật (32–35).
Quần thể vi khuẩn có thể tương đối đa dạng và phụ thuộc ở một mức độ nào đó vào các phương pháp được sử dụng để phân lập và xác định vi sinh vật cũng như nguồn gốc của mẫu. Ví dụ, cấu hình thành phần vi sinh vật có thể khác nhau trước khi xử lý nhiệt liên quan đến việc tạo viên (36). Mặc dù các phương pháp nuôi cấy cổ điển và cấy trên đĩa đã cung cấp một số thông tin, nhưng việc ứng dụng gần đây của phương pháp giải trình tự thế hệ tiếp theo (NGS) dựa trên gen 16S rRNA đã cung cấp một đánh giá toàn diện hơn về cộng đồng vi sinh vật thức ăn gia súc (9). Khi Solanki et al. (37) kiểm tra hệ vi sinh vật vi khuẩn của hạt lúa mì được lưu trữ trong một khoảng thời gian với sự hiện diện của phosphine, một chất xông hơi diệt côn trùng, họ nhận thấy rằng hệ vi sinh vật đa dạng hơn sau khi thu hoạch và sau 3 tháng lưu trữ. Hơn nữa, Solanki et al. (37) (37) đã chứng minh rằng Proteobacteria, Firmicutes, Actinobacteria, Bacteroidetes và Planctomyces là các ngành chiếm ưu thế trong hạt lúa mì, Bacillus, Erwinia và Pseudomonas là các chi chiếm ưu thế, và Enterobacteriaceae chiếm tỷ lệ nhỏ. Dựa trên so sánh phân loại, họ kết luận rằng việc xông hơi bằng phosphine đã làm thay đổi đáng kể quần thể vi khuẩn nhưng không ảnh hưởng đến sự đa dạng của nấm.
Solanki et al. (37) đã chỉ ra rằng nguồn thức ăn cũng có thể chứa các mầm bệnh truyền qua thực phẩm có thể gây ra các vấn đề về sức khỏe cộng đồng dựa trên việc phát hiện Enterobacteriaceae trong hệ vi sinh vật. Các mầm bệnh truyền qua thực phẩm như Clostridium perfringens, Clostridium botulinum, Salmonella, Campylobacter, Escherichia coli O157:H7 và Listeria monocytogenes có liên quan đến thức ăn chăn nuôi và thức ăn ủ chua (9, 31, 38). Sự tồn tại của các mầm bệnh truyền qua thực phẩm khác trong thức ăn chăn nuôi và gia cầm hiện chưa được biết. Ge et al. (39) đã sàng lọc hơn 200 thành phần thức ăn chăn nuôi và phân lập được Salmonella, E. coli và Enterococci, nhưng không phát hiện E. coli O157:H7 hoặc Campylobacter. Tuy nhiên, các chất nền như thức ăn khô có thể là nguồn E. coli gây bệnh. Trong quá trình truy tìm nguồn gốc của đợt bùng phát năm 2016 của vi khuẩn Escherichia coli sản sinh độc tố Shiga (STEC) nhóm huyết thanh O121 và O26 liên quan đến bệnh ở người, Crowe et al. (40) đã sử dụng phương pháp giải trình tự toàn bộ hệ gen để so sánh các chủng phân lập lâm sàng với các chủng phân lập thu được từ các sản phẩm thực phẩm. Dựa trên sự so sánh này, họ kết luận rằng nguồn gốc có khả năng là bột mì thô có độ ẩm thấp từ các nhà máy xay bột. Hàm lượng độ ẩm thấp của bột mì cho thấy STEC cũng có thể tồn tại trong thức ăn chăn nuôi có độ ẩm thấp. Tuy nhiên, như Crowe et al. (40) lưu ý, việc phân lập STEC từ các mẫu bột mì rất khó khăn và đòi hỏi các phương pháp tách miễn dịch từ tính để thu hồi đủ số lượng tế bào vi khuẩn. Các quy trình chẩn đoán tương tự cũng có thể làm phức tạp việc phát hiện và phân lập các mầm bệnh hiếm gặp trong thức ăn chăn nuôi. Khó khăn trong việc phát hiện cũng có thể là do sự tồn tại lâu dài của các mầm bệnh này trong các ma trận có độ ẩm thấp. Forghani et al. (41) đã chứng minh rằng bột mì được bảo quản ở nhiệt độ phòng và được cấy hỗn hợp Escherichia coli gây xuất huyết đường ruột (EHEC) nhóm huyết thanh O45, O121 và O145 và Salmonella (S. Typhimurium, S. Agona, S. Enteritidis và S. Anatum) có thể định lượng được ở 84 và 112 ngày và vẫn có thể phát hiện được ở 24 và 52 tuần.
Trong lịch sử, Campylobacter chưa bao giờ được phân lập từ thức ăn chăn nuôi gia súc và gia cầm bằng các phương pháp nuôi cấy truyền thống (38, 39), mặc dù Campylobacter có thể dễ dàng được phân lập từ đường tiêu hóa của gia cầm và các sản phẩm gia cầm (42, 43). Tuy nhiên, thức ăn chăn nuôi vẫn có những lợi thế của nó như một nguồn tiềm năng. Ví dụ, Alves et al. (44) đã chứng minh rằng việc cấy C. jejuni vào thức ăn chăn nuôi gà thịt và sau đó bảo quản thức ăn ở hai nhiệt độ khác nhau trong 3 hoặc 5 ngày đã dẫn đến việc thu hồi được C. jejuni còn sống và, trong một số trường hợp, thậm chí là sự sinh sôi nảy nở của chúng. Họ kết luận rằng C. jejuni chắc chắn có thể tồn tại trong thức ăn chăn nuôi gia cầm và do đó, có thể là một nguồn lây nhiễm tiềm tàng cho gà.
Sự nhiễm khuẩn Salmonella trong thức ăn chăn nuôi gia súc và gia cầm đã nhận được nhiều sự chú ý trong quá khứ và vẫn là trọng tâm của những nỗ lực đang diễn ra nhằm phát triển các phương pháp phát hiện áp dụng cụ thể cho thức ăn chăn nuôi và tìm ra các biện pháp kiểm soát hiệu quả hơn (12, 26, 30, 45–53). Trong những năm qua, nhiều nghiên cứu đã xem xét việc phân lập và đặc điểm của Salmonella trong các cơ sở sản xuất thức ăn chăn nuôi và nhà máy sản xuất thức ăn chăn nuôi khác nhau (38, 39, 54–61). Nhìn chung, các nghiên cứu này chỉ ra rằng Salmonella có thể được phân lập từ nhiều loại nguyên liệu thức ăn, nguồn thức ăn, loại thức ăn và hoạt động sản xuất thức ăn khác nhau. Tỷ lệ hiện mắc và các serotype Salmonella chiếm ưu thế được phân lập cũng khác nhau. Ví dụ, Li et al. (57) đã xác nhận sự hiện diện của Salmonella spp. Nó được phát hiện trong 12,5% trong số 2058 mẫu được thu thập từ thức ăn chăn nuôi hoàn chỉnh, nguyên liệu thức ăn, thức ăn cho vật nuôi, đồ ăn vặt cho vật nuôi và thực phẩm bổ sung cho vật nuôi trong giai đoạn thu thập dữ liệu từ năm 2002 đến năm 2009. Ngoài ra, các serotype phổ biến nhất được phát hiện trong 12,5% mẫu Salmonella dương tính là S. Senftenberg và S. Montevideo (57). Trong một nghiên cứu về thực phẩm ăn liền và phụ phẩm thức ăn chăn nuôi ở Texas, Hsieh et al. (58) báo cáo rằng tỷ lệ Salmonella cao nhất là ở bột cá, tiếp theo là protein động vật, với S. Mbanka và S. Montevideo là các serotype phổ biến nhất. Các nhà máy sản xuất thức ăn chăn nuôi cũng có một số điểm tiềm ẩn gây ô nhiễm thức ăn trong quá trình trộn và thêm nguyên liệu (9, 56, 61). Magossi et al. (61) đã chứng minh rằng nhiều điểm ô nhiễm có thể xảy ra trong quá trình sản xuất thức ăn chăn nuôi ở Hoa Kỳ. Trên thực tế, Magossi et al. (61) đã tìm thấy ít nhất một mẫu Salmonella dương tính trong 11 nhà máy sản xuất thức ăn chăn nuôi (tổng cộng 12 địa điểm lấy mẫu) ở tám tiểu bang tại Hoa Kỳ. Do nguy cơ nhiễm khuẩn Salmonella tiềm ẩn trong quá trình xử lý thức ăn, vận chuyển và cho ăn hàng ngày, không có gì đáng ngạc nhiên khi người ta đang nỗ lực đáng kể để phát triển các chất phụ gia thức ăn có thể giảm thiểu và duy trì mức độ ô nhiễm vi sinh vật thấp trong suốt chu kỳ sản xuất chăn nuôi.
Ít thông tin được biết về cơ chế phản ứng đặc hiệu của Salmonella với axit formic. Tuy nhiên, Huang et al. (62) chỉ ra rằng axit formic có mặt trong ruột non của động vật có vú và Salmonella spp. có khả năng sản xuất axit formic. Huang et al. (62) đã sử dụng một loạt các đột biến xóa bỏ các con đường chính để phát hiện sự biểu hiện của các gen độc lực của Salmonella và thấy rằng formate có thể hoạt động như một tín hiệu khuếch tán để kích thích Salmonella xâm nhập vào tế bào biểu mô Hep-2. Gần đây, Liu et al. (63) đã phân lập một chất vận chuyển formate, FocA, từ Salmonella typhimurium hoạt động như một kênh formate đặc hiệu ở pH 7.0 nhưng cũng có thể hoạt động như một kênh xuất khẩu thụ động ở pH bên ngoài cao hoặc như một kênh nhập khẩu formate/ion hydro chủ động thứ cấp ở pH thấp. Tuy nhiên, nghiên cứu này chỉ được thực hiện trên một serotype của S. Typhimurium. Câu hỏi đặt ra là liệu tất cả các serotype có phản ứng với axit formic bằng các cơ chế tương tự hay không. Đây vẫn là một câu hỏi nghiên cứu quan trọng cần được giải quyết trong các nghiên cứu tương lai. Bất kể kết quả như thế nào, việc sử dụng nhiều loại huyết thanh Salmonella hoặc thậm chí nhiều chủng của mỗi loại huyết thanh trong các thí nghiệm sàng lọc vẫn là điều cần thiết khi xây dựng các khuyến nghị chung về việc sử dụng chất bổ sung axit để giảm mức độ Salmonella trong thức ăn chăn nuôi. Các phương pháp mới hơn, chẳng hạn như sử dụng mã vạch di truyền để mã hóa các chủng nhằm phân biệt các nhóm phụ khác nhau của cùng một loại huyết thanh (9, 64), mang lại cơ hội để nhận biết những khác biệt nhỏ hơn có thể ảnh hưởng đến kết luận và cách giải thích sự khác biệt.
Bản chất hóa học và dạng phân ly của formate cũng có thể quan trọng. Trong một loạt các nghiên cứu, Beyer et al. (65–67) đã chứng minh rằng sự ức chế Enterococcus faecium, Campylobacter jejuni và Campylobacter coli có tương quan với lượng axit formic phân ly và không phụ thuộc vào pH hoặc axit formic chưa phân ly. Dạng hóa học của formate mà vi khuẩn tiếp xúc cũng có vẻ quan trọng. Kovanda et al. (68) đã sàng lọc một số vi sinh vật Gram âm và Gram dương và so sánh nồng độ ức chế tối thiểu (MIC) của natri formate (500–25.000 mg/L) và hỗn hợp natri formate và formate tự do (40/60 m/v; 10–10.000 mg/L). Dựa trên giá trị MIC, họ nhận thấy natri formate chỉ có tác dụng ức chế đối với Campylobacter jejuni, Clostridium perfringens, Streptococcus suis và Streptococcus pneumoniae, nhưng không có tác dụng đối với Escherichia coli, Salmonella typhimurium hoặc Enterococcus faecalis. Ngược lại, hỗn hợp natri formate và natri formate tự do có tác dụng ức chế đối với tất cả các vi sinh vật, dẫn đến kết luận rằng axit formic tự do sở hữu hầu hết các đặc tính kháng khuẩn. Sẽ rất thú vị nếu nghiên cứu các tỷ lệ khác nhau của hai dạng hóa học này để xác định xem phạm vi giá trị MIC có tương quan với nồng độ axit formic có trong công thức hỗn hợp và phản ứng với 100% axit formic hay không.
Gomez-Garcia et al. (69) đã thử nghiệm các kết hợp tinh dầu và axit hữu cơ (như axit formic) chống lại nhiều chủng Escherichia coli, Salmonella và Clostridium perfringens phân lập từ lợn. Họ đã thử nghiệm hiệu quả của sáu axit hữu cơ, bao gồm axit formic, và sáu loại tinh dầu chống lại các chủng phân lập từ lợn, sử dụng formaldehyde làm đối chứng dương tính. Gomez-García et al. (69) đã xác định MIC50, MBC50 và MIC50/MBC50 của axit formic chống lại Escherichia coli (600 và 2400 ppm, 4), Salmonella (600 và 2400 ppm, 4) và Clostridium perfringens (1200 và 2400 ppm, 2), trong đó axit formic được phát hiện là hiệu quả hơn tất cả các axit hữu cơ chống lại E. coli và Salmonella. (69) Axit formic có hiệu quả chống lại Escherichia coli và Salmonella do kích thước phân tử nhỏ và chuỗi dài của nó (70).
Beyer et al. đã sàng lọc các chủng Campylobacter được phân lập từ lợn (66) và các chủng Campylobacter jejuni được phân lập từ gia cầm (67) và cho thấy axit formic phân ly ở nồng độ phù hợp với phản ứng MIC được đo đối với các axit hữu cơ khác. Tuy nhiên, hiệu lực tương đối của các axit này, bao gồm cả axit formic, đã bị đặt câu hỏi vì Campylobacter có thể sử dụng các axit này làm chất nền (66, 67). Việc C. jejuni sử dụng axit không gây ngạc nhiên vì nó đã được chứng minh là có quá trình trao đổi chất không theo con đường phân. Do đó, C. jejuni có khả năng phân giải carbohydrate hạn chế và dựa vào quá trình tân tạo glucose từ axit amin và axit hữu cơ cho hầu hết quá trình trao đổi chất năng lượng và hoạt động sinh tổng hợp của nó (71, 72). Một nghiên cứu ban đầu của Line et al. (73) đã sử dụng một mảng kiểu hình chứa 190 nguồn carbon và cho thấy C. jejuni 11168(GS) có thể sử dụng axit hữu cơ làm nguồn carbon, hầu hết trong số đó là chất trung gian của chu trình axit tricarboxylic. Các nghiên cứu tiếp theo của Wagli et al. (74) sử dụng mảng sử dụng carbon kiểu hình cho thấy các chủng C. jejuni và E. coli được kiểm tra trong nghiên cứu của họ có khả năng phát triển trên axit hữu cơ làm nguồn carbon. Formate là chất cho electron chính cho quá trình trao đổi chất năng lượng hô hấp của C. jejuni và do đó, là nguồn năng lượng chính cho C. jejuni (71, 75). C. jejuni có thể sử dụng formate làm chất cho hydro thông qua phức hợp formate dehydrogenase gắn màng, phức hợp này oxy hóa formate thành carbon dioxide, proton và electron và đóng vai trò là chất cho electron cho quá trình hô hấp (72).
Axit formic có lịch sử sử dụng lâu đời như một chất cải thiện thức ăn kháng khuẩn, nhưng một số côn trùng cũng có thể sản xuất axit formic để sử dụng như một chất hóa học phòng vệ kháng khuẩn. Rossini et al. (76) cho rằng axit formic có thể là một thành phần của nhựa axit của kiến ​​được Ray (77) mô tả gần 350 năm trước. Kể từ đó, sự hiểu biết của chúng ta về việc sản xuất axit formic ở kiến ​​và các côn trùng khác đã tăng lên đáng kể, và hiện nay người ta biết rằng quá trình này là một phần của hệ thống phòng vệ độc tố phức tạp ở côn trùng (78). Nhiều nhóm côn trùng, bao gồm ong không đốt, kiến ​​nhọn (Hymenoptera: Apidae), bọ cánh cứng đất (Galerita lecontei và G. janus), kiến ​​không đốt (Formicinae) và một số ấu trùng bướm đêm (Lepidoptera: Myrmecophaga), được biết là sản xuất axit formic như một chất hóa học phòng vệ (76, 78–82).
Có lẽ loài kiến ​​được mô tả rõ nhất vì chúng có các tế bào axit, các lỗ chuyên biệt cho phép chúng phun nọc độc chủ yếu bao gồm axit formic (82). Kiến sử dụng serine làm tiền chất và lưu trữ một lượng lớn formate trong tuyến nọc độc của chúng, được cách nhiệt đủ để bảo vệ kiến ​​chủ khỏi độc tính của formate cho đến khi nó được phun ra (78, 83). Axit formic mà chúng tiết ra có thể (1) đóng vai trò như một pheromone báo động để thu hút các con kiến ​​khác; (2) là một chất hóa học phòng vệ chống lại các đối thủ cạnh tranh và kẻ săn mồi; và (3) hoạt động như một chất chống nấm và kháng khuẩn khi kết hợp với nhựa cây như một phần của vật liệu làm tổ (78, 82, 84–88). Axit formic do kiến ​​sản xuất có đặc tính kháng khuẩn, cho thấy rằng nó có thể được sử dụng như một chất phụ gia bôi ngoài da. Điều này đã được chứng minh bởi Bruch et al. (88), những người đã thêm axit formic tổng hợp vào nhựa cây và cải thiện đáng kể hoạt tính chống nấm. Thêm bằng chứng về hiệu quả của axit formic và công dụng sinh học của nó là loài kiến ​​ăn khổng lồ, không thể sản xuất axit dạ dày, ăn những con kiến ​​có chứa axit formic để cung cấp cho chúng axit formic đậm đặc như một loại axit tiêu hóa thay thế (89).
Việc sử dụng axit formic trong nông nghiệp đã được xem xét và nghiên cứu trong nhiều năm. Đặc biệt, axit formic có thể được sử dụng như một chất phụ gia cho thức ăn chăn nuôi và thức ăn ủ chua. Natri formate ở cả dạng rắn và lỏng được coi là an toàn cho tất cả các loài động vật, người tiêu dùng và môi trường (90). Dựa trên đánh giá của họ (90), nồng độ tối đa 10.000 mg axit formic tương đương/kg thức ăn được coi là an toàn cho tất cả các loài động vật, trong khi nồng độ tối đa 12.000 mg axit formic tương đương/kg thức ăn được coi là an toàn cho lợn. Việc sử dụng axit formic như một chất cải thiện thức ăn chăn nuôi đã được nghiên cứu trong nhiều năm. Nó được coi là có giá trị thương mại như một chất bảo quản thức ăn ủ chua và một chất kháng khuẩn trong thức ăn chăn nuôi gia súc và gia cầm.
Các chất phụ gia hóa học như axit luôn là một yếu tố không thể thiếu trong sản xuất thức ăn ủ chua và quản lý thức ăn chăn nuôi (91, 92). Borreani et al. (91) lưu ý rằng để đạt được sản lượng thức ăn ủ chua chất lượng cao tối ưu, cần phải duy trì chất lượng thức ăn thô xanh đồng thời giữ lại càng nhiều chất khô càng tốt. Kết quả của việc tối ưu hóa như vậy là giảm thiểu tổn thất ở tất cả các giai đoạn của quá trình ủ chua: từ điều kiện hiếu khí ban đầu trong silo đến quá trình lên men, bảo quản và mở lại silo để cho ăn sau đó. Các phương pháp cụ thể để tối ưu hóa sản xuất thức ăn ủ chua ngoài đồng và quá trình lên men thức ăn ủ chua sau đó đã được thảo luận chi tiết ở nơi khác (91, 93-95) và sẽ không được thảo luận chi tiết ở đây. Vấn đề chính là sự hư hỏng do oxy hóa gây ra bởi nấm men và nấm mốc khi có oxy trong thức ăn ủ chua (91, 92). Do đó, các chất cấy sinh học và chất phụ gia hóa học đã được đưa vào để chống lại các tác động bất lợi của sự hư hỏng (91, 92). Các cân nhắc khác đối với các chất phụ gia ủ chua bao gồm hạn chế sự lây lan của các mầm bệnh có thể có trong thức ăn ủ chua (ví dụ: E. coli gây bệnh, Listeria và Salmonella) cũng như nấm sản sinh độc tố mycotoxin (96–98).
Mack et al. (92) đã chia các chất phụ gia axit thành hai loại. Các axit như axit propionic, axit axetic, axit sorbic và axit benzoic duy trì tính ổn định hiếu khí của thức ăn ủ chua khi cho động vật nhai lại ăn bằng cách hạn chế sự phát triển của nấm men và nấm mốc (92). Mack et al. (92) đã tách axit formic ra khỏi các axit khác và coi nó là chất axit hóa trực tiếp ức chế clostridia và vi sinh vật gây hư hỏng trong khi vẫn duy trì tính toàn vẹn của protein trong thức ăn ủ chua. Trên thực tế, dạng muối của chúng là dạng hóa học phổ biến nhất để tránh các đặc tính ăn mòn của axit ở dạng không muối (91). Nhiều nhóm nghiên cứu cũng đã nghiên cứu axit formic như một chất phụ gia axit cho thức ăn ủ chua. Axit formic được biết đến với khả năng axit hóa nhanh chóng và tác dụng ức chế sự phát triển của các vi sinh vật gây hại trong thức ăn ủ chua làm giảm hàm lượng protein và carbohydrate hòa tan trong nước của thức ăn ủ chua (99). Do đó, He et al. (92) đã so sánh axit formic với các chất phụ gia axit trong thức ăn ủ chua. (100) đã chứng minh rằng axit formic có thể ức chế Escherichia coli và làm giảm độ pH của thức ăn ủ chua. Các chủng vi khuẩn sản xuất axit formic và axit lactic cũng được thêm vào thức ăn ủ chua để kích thích quá trình axit hóa và sản xuất axit hữu cơ (101). Trên thực tế, Cooley et al. (101) đã phát hiện ra rằng khi thức ăn ủ chua được axit hóa bằng 3% (w/v) axit formic, lượng axit lactic và axit formic được sản xuất lần lượt vượt quá 800 và 1000 mg axit hữu cơ/100 g mẫu. Mack et al. (92) đã xem xét chi tiết tài liệu nghiên cứu về chất phụ gia thức ăn ủ chua, bao gồm các nghiên cứu được công bố từ năm 2000 tập trung vào và/hoặc bao gồm axit formic và các axit khác. Do đó, bài đánh giá này sẽ không thảo luận chi tiết về từng nghiên cứu riêng lẻ mà chỉ tóm tắt một số điểm chính liên quan đến hiệu quả của axit formic như một chất phụ gia hóa học cho thức ăn ủ chua. Cả axit formic không đệm và có đệm đều đã được nghiên cứu và trong hầu hết các trường hợp là Clostridium spp. Các hoạt động tương đối của nó (hấp thụ carbohydrate, protein và lactate và bài tiết butyrate) có xu hướng giảm, trong khi sản xuất amoniac và butyrate giảm và khả năng giữ lại chất khô tăng lên (92). Có những hạn chế đối với hiệu suất của axit formic, nhưng việc sử dụng nó như một chất phụ gia ủ chua kết hợp với các axit khác dường như khắc phục được một số vấn đề này (92).
Axit formic có thể ức chế vi khuẩn gây bệnh gây nguy hiểm cho sức khỏe con người. Ví dụ, Pauly và Tam (102) đã cấy vi khuẩn L. monocytogenes vào các silo thí nghiệm nhỏ chứa ba mức chất khô khác nhau (200, 430 và 540 g/kg) của cỏ lúa mạch đen, sau đó bổ sung axit formic (3 ml/kg) hoặc vi khuẩn axit lactic (8 × 105/g) và enzyme cellulolytic. Họ báo cáo rằng cả hai phương pháp điều trị đều làm giảm L. monocytogenes xuống mức không thể phát hiện được trong silage có chất khô thấp (200 g/kg). Tuy nhiên, trong silage có chất khô trung bình (430 g/kg), L. monocytogenes vẫn có thể phát hiện được sau 30 ngày trong silage được xử lý bằng axit formic. Sự giảm L. monocytogenes dường như có liên quan đến độ pH thấp hơn, axit lactic và axit không phân ly kết hợp. Ví dụ, Pauly và Tam (102) lưu ý rằng mức độ axit lactic và axit không phân ly kết hợp đặc biệt quan trọng, đây có thể là lý do tại sao không quan sát thấy sự giảm L. monocytogenes trong môi trường được xử lý bằng axit formic từ thức ăn ủ chua có hàm lượng chất khô cao hơn. Các nghiên cứu tương tự nên được tiến hành trong tương lai đối với các tác nhân gây bệnh phổ biến khác trong thức ăn ủ chua như Salmonella và E. coli gây bệnh. Phân tích trình tự 16S rDNA toàn diện hơn của toàn bộ cộng đồng vi sinh vật trong thức ăn ủ chua cũng có thể giúp xác định những thay đổi trong quần thể vi sinh vật tổng thể trong thức ăn ủ chua xảy ra ở các giai đoạn khác nhau của quá trình lên men thức ăn ủ chua khi có mặt axit formic (103). Việc thu thập dữ liệu về hệ vi sinh vật có thể cung cấp hỗ trợ phân tích để dự đoán tốt hơn tiến trình lên men thức ăn ủ chua và phát triển các tổ hợp phụ gia tối ưu để duy trì chất lượng thức ăn ủ chua cao.
Trong thức ăn chăn nuôi có nguồn gốc từ ngũ cốc, axit formic được sử dụng như một chất kháng khuẩn để hạn chế mức độ mầm bệnh trong các ma trận thức ăn có nguồn gốc từ ngũ cốc khác nhau cũng như một số thành phần thức ăn nhất định như phụ phẩm động vật. Tác động lên quần thể mầm bệnh ở gia cầm và các động vật khác có thể được chia thành hai loại chính: tác động trực tiếp lên quần thể mầm bệnh của chính thức ăn và tác động gián tiếp lên mầm bệnh xâm chiếm đường tiêu hóa của động vật sau khi ăn thức ăn đã được xử lý (20, 21, 104). Rõ ràng, hai loại này có liên quan đến nhau, vì việc giảm mầm bệnh trong thức ăn sẽ dẫn đến giảm sự xâm chiếm khi động vật ăn thức ăn. Tuy nhiên, tính chất kháng khuẩn của một loại axit cụ thể được thêm vào ma trận thức ăn có thể bị ảnh hưởng bởi một số yếu tố, chẳng hạn như thành phần của thức ăn và dạng axit được thêm vào (21, 105).
Trong lịch sử, việc sử dụng axit formic và các axit liên quan khác chủ yếu tập trung vào việc kiểm soát trực tiếp vi khuẩn Salmonella trong thức ăn chăn nuôi gia súc và gia cầm (21). Kết quả của các nghiên cứu này đã được tóm tắt chi tiết trong một số bài đánh giá được công bố vào các thời điểm khác nhau (18, 21, 26, 47, 104–106), vì vậy chỉ một số phát hiện chính từ các nghiên cứu này được thảo luận trong bài đánh giá này. Một số nghiên cứu đã chỉ ra rằng hoạt tính kháng khuẩn của axit formic trong ma trận thức ăn phụ thuộc vào liều lượng và thời gian tiếp xúc với axit formic, hàm lượng độ ẩm của ma trận thức ăn và nồng độ vi khuẩn trong thức ăn và đường tiêu hóa của động vật (19, 21, 107–109). Loại ma trận thức ăn và nguồn nguyên liệu thức ăn chăn nuôi cũng là những yếu tố ảnh hưởng. Do đó, một số nghiên cứu đã chỉ ra rằng mức độ Salmonella. Độc tố vi khuẩn phân lập từ phụ phẩm động vật có thể khác với độc tố phân lập từ phụ phẩm thực vật (39, 45, 58, 59, 110–112). Tuy nhiên, sự khác biệt trong phản ứng với các axit như axit formic có thể liên quan đến sự khác biệt về khả năng tồn tại của serovar trong khẩu phần ăn và nhiệt độ chế biến khẩu phần ăn (19, 113, 114). Sự khác biệt trong phản ứng của serovar với xử lý axit cũng có thể là một yếu tố gây ô nhiễm gia cầm bằng thức ăn bị ô nhiễm (113, 115), và sự khác biệt trong biểu hiện gen độc lực (116) cũng có thể đóng vai trò. Sự khác biệt về khả năng chịu đựng axit có thể ảnh hưởng đến việc phát hiện Salmonella trong môi trường nuôi cấy nếu axit trong thức ăn không được đệm đầy đủ (21, 105, 117–122). Dạng vật lý của khẩu phần ăn (về kích thước hạt) cũng có thể ảnh hưởng đến khả năng hấp thụ tương đối của axit formic trong đường tiêu hóa (123).
Các chiến lược nhằm tối ưu hóa hoạt tính kháng khuẩn của axit formic được thêm vào thức ăn cũng rất quan trọng. Nồng độ axit cao hơn đã được đề xuất cho các nguyên liệu thức ăn bị ô nhiễm cao trước khi trộn thức ăn để giảm thiểu thiệt hại tiềm tàng cho thiết bị nhà máy thức ăn và các vấn đề về khả năng ăn ngon miệng của động vật (105). Jones (51) kết luận rằng Salmonella có trong thức ăn trước khi làm sạch bằng hóa chất khó kiểm soát hơn Salmonella tiếp xúc với thức ăn sau khi xử lý bằng hóa chất. Xử lý nhiệt thức ăn trong quá trình chế biến tại nhà máy thức ăn đã được đề xuất như một biện pháp can thiệp để hạn chế ô nhiễm Salmonella trong thức ăn, nhưng điều này phụ thuộc vào thành phần thức ăn, kích thước hạt và các yếu tố khác liên quan đến quá trình xay xát (51). Hoạt tính kháng khuẩn của axit cũng phụ thuộc vào nhiệt độ, và nhiệt độ cao khi có mặt các axit hữu cơ có thể có tác dụng ức chế hiệp đồng đối với Salmonella, như đã quan sát thấy trong nuôi cấy lỏng Salmonella (124, 125). Một số nghiên cứu về thức ăn bị nhiễm Salmonella ủng hộ quan điểm rằng nhiệt độ cao làm tăng hiệu quả của axit trong ma trận thức ăn (106, 113, 126). Amado et al. (127) đã sử dụng thiết kế tổ hợp trung tâm để nghiên cứu sự tương tác giữa nhiệt độ và axit (axit formic hoặc axit lactic) trong 10 chủng Salmonella enterica và Escherichia coli được phân lập từ các loại thức ăn gia súc khác nhau và được cấy vào viên thức ăn gia súc đã được axit hóa. Họ kết luận rằng nhiệt là yếu tố chi phối ảnh hưởng đến sự giảm vi sinh vật, cùng với axit và loại vi khuẩn được phân lập. Hiệu ứng hiệp đồng với axit vẫn chiếm ưu thế, vì vậy có thể sử dụng nhiệt độ và nồng độ axit thấp hơn. Tuy nhiên, họ cũng lưu ý rằng hiệu ứng hiệp đồng không phải lúc nào cũng được quan sát thấy khi sử dụng axit formic, dẫn đến việc họ nghi ngờ rằng sự bay hơi của axit formic ở nhiệt độ cao hơn hoặc tác dụng đệm của các thành phần ma trận thức ăn là một yếu tố.
Hạn chế thời hạn sử dụng của thức ăn trước khi cho động vật ăn là một cách để kiểm soát sự xâm nhập của các mầm bệnh truyền qua thực phẩm vào cơ thể động vật trong quá trình cho ăn. Tuy nhiên, một khi axit trong thức ăn đã đi vào đường tiêu hóa, nó có thể tiếp tục phát huy hoạt tính kháng khuẩn. Hoạt tính kháng khuẩn của các chất axit được đưa vào từ bên ngoài trong đường tiêu hóa có thể phụ thuộc vào nhiều yếu tố, bao gồm nồng độ axit dạ dày, vị trí hoạt động của đường tiêu hóa, độ pH và hàm lượng oxy của đường tiêu hóa, tuổi của động vật và thành phần tương đối của quần thể vi sinh vật đường tiêu hóa (phụ thuộc vào vị trí của đường tiêu hóa và độ trưởng thành của động vật) (21, 24, 128–132). Ngoài ra, quần thể vi sinh vật kỵ khí thường trú trong đường tiêu hóa (trở nên chiếm ưu thế ở phần dưới đường tiêu hóa của động vật đơn dạ dày khi chúng trưởng thành) tích cực sản sinh ra axit hữu cơ thông qua quá trình lên men, từ đó cũng có thể có tác dụng đối kháng với các mầm bệnh tạm thời xâm nhập vào đường tiêu hóa (17, 19–21).
Phần lớn các nghiên cứu ban đầu tập trung vào việc sử dụng các axit hữu cơ, bao gồm formate, để hạn chế Salmonella trong đường tiêu hóa của gia cầm, điều này đã được thảo luận chi tiết trong một số bài đánh giá (12, 20, 21). Khi xem xét các nghiên cứu này cùng nhau, có thể đưa ra một số quan sát quan trọng. McHan và Shotts (133) báo cáo rằng việc cho ăn axit formic và propionic làm giảm mức độ Salmonella Typhimurium trong manh tràng của gà được tiêm vi khuẩn và định lượng chúng ở 7, 14 và 21 ngày tuổi. Tuy nhiên, khi Hume et al. (128) theo dõi propionate được dán nhãn C-14, họ kết luận rằng rất ít propionate trong khẩu phần ăn có thể đến được manh tràng. Vẫn cần xác định xem điều này có đúng với axit formic hay không. Tuy nhiên, gần đây Bourassa et al. (134) báo cáo rằng việc cho gà ăn axit formic và propionic đã làm giảm mức độ Salmonella Typhimurium trong manh tràng của gà được tiêm vi khuẩn, được định lượng ở 7, 14 và 21 ngày tuổi. (132) lưu ý rằng việc cho gà thịt ăn axit formic ở mức 4 g/t trong suốt giai đoạn tăng trưởng 6 tuần đã làm giảm nồng độ S. Typhimurium trong manh tràng xuống dưới mức phát hiện.
Sự hiện diện của axit formic trong khẩu phần ăn có thể ảnh hưởng đến các bộ phận khác của đường tiêu hóa gia cầm. Al-Tarazi và Alshavabkeh (134) đã chứng minh rằng hỗn hợp axit formic và axit propionic có thể làm giảm sự nhiễm khuẩn Salmonella pullorum (S. PRlorum) trong diều và manh tràng. Thompson và Hinton (129) quan sát thấy rằng hỗn hợp axit formic và axit propionic có sẵn trên thị trường làm tăng nồng độ của cả hai axit trong diều và mề và có tác dụng diệt khuẩn đối với Salmonella Enteritidis PT4 trong mô hình in vitro dưới điều kiện nuôi dưỡng điển hình. Quan điểm này được hỗ trợ bởi dữ liệu in vivo từ Bird et al. (135) khi họ thêm axit formic vào nước uống của gà thịt trong thời gian nhịn ăn mô phỏng trước khi vận chuyển, tương tự như việc nhịn ăn mà gà thịt trải qua trước khi vận chuyển đến nhà máy chế biến gia cầm. Việc bổ sung axit formic vào nước uống đã làm giảm số lượng S. Typhimurium trong diều và mào tinh hoàn, và giảm tần suất diều dương tính với S. Typhimurium, nhưng không làm giảm số lượng mào tinh hoàn dương tính (135). Việc phát triển các hệ thống phân phối có thể bảo vệ các axit hữu cơ trong khi chúng hoạt động ở đường tiêu hóa dưới có thể giúp cải thiện hiệu quả. Ví dụ, việc vi bao axit formic và bổ sung nó vào thức ăn đã được chứng minh là làm giảm số lượng Salmonella Enteritidis trong dịch manh tràng (136). Tuy nhiên, điều này có thể khác nhau tùy thuộc vào loài động vật. Ví dụ, Walia et al. (137) không quan sát thấy sự giảm Salmonella trong manh tràng hoặc hạch bạch huyết của lợn 28 ngày tuổi được cho ăn hỗn hợp axit formic, axit citric và viên nang tinh dầu, và mặc dù lượng Salmonella bài tiết trong phân giảm vào ngày thứ 14, nhưng không giảm vào ngày thứ 28. Họ đã chứng minh rằng sự lây truyền ngang của Salmonella giữa các con lợn đã được ngăn chặn.
Mặc dù các nghiên cứu về axit formic như một chất kháng khuẩn trong chăn nuôi chủ yếu tập trung vào Salmonella gây bệnh từ thực phẩm, nhưng cũng có một số nghiên cứu nhắm vào các tác nhân gây bệnh đường tiêu hóa khác. Các nghiên cứu trong ống nghiệm của Kovanda et al. (68) cho thấy axit formic cũng có thể có hiệu quả chống lại các tác nhân gây bệnh đường tiêu hóa khác từ thực phẩm, bao gồm Escherichia coli và Campylobacter jejuni. Các nghiên cứu trước đây đã chỉ ra rằng các axit hữu cơ (ví dụ: axit lactic) và các hỗn hợp thương mại có chứa axit formic như một thành phần có thể làm giảm mức độ Campylobacter ở gia cầm (135, 138). Tuy nhiên, như Beyer et al. (67) đã lưu ý trước đó, việc sử dụng axit formic như một chất kháng khuẩn chống lại Campylobacter có thể cần thận trọng. Phát hiện này đặc biệt có vấn đề đối với việc bổ sung vào khẩu phần ăn của gia cầm vì axit formic là nguồn năng lượng hô hấp chính cho C. jejuni. Hơn nữa, một phần vị trí sinh thái đường tiêu hóa của nó được cho là do trao đổi chất chéo với các sản phẩm lên men axit hỗn hợp do vi khuẩn đường tiêu hóa tạo ra, chẳng hạn như formate (139). Quan điểm này có một số cơ sở. Vì formate là chất dẫn dụ hóa học đối với C. jejuni, các đột biến kép với khiếm khuyết ở cả formate dehydrogenase và hydrogenase có tỷ lệ xâm chiếm manh tràng ở gà thịt thấp hơn so với các chủng C. jejuni kiểu hoang dã (140, 141). Vẫn chưa rõ mức độ ảnh hưởng của việc bổ sung axit formic từ bên ngoài đến sự xâm chiếm đường tiêu hóa của C. jejuni ở gà. Nồng độ formate thực tế trong đường tiêu hóa có thể thấp hơn do quá trình dị hóa formate bởi các vi khuẩn đường tiêu hóa khác hoặc do sự hấp thụ formate ở đường tiêu hóa trên, vì vậy một số biến số có thể ảnh hưởng đến điều này. Ngoài ra, formate là một sản phẩm lên men tiềm năng được tạo ra bởi một số vi khuẩn đường tiêu hóa, điều này có thể ảnh hưởng đến tổng mức formate trong đường tiêu hóa. Việc định lượng formate trong dịch tiêu hóa và xác định các gen formate dehydrogenase bằng phương pháp metagenomics có thể làm sáng tỏ một số khía cạnh về hệ sinh thái của các vi sinh vật sản sinh formate.
Roth et al. (142) đã so sánh tác dụng của việc cho gà thịt ăn kháng sinh enrofloxacin hoặc hỗn hợp axit formic, acetic và propionic đối với tỷ lệ Escherichia coli kháng kháng sinh. Tổng số và số lượng phân lập E. coli kháng kháng sinh được đếm trong các mẫu phân gộp từ gà thịt 1 ngày tuổi và trong các mẫu dịch ruột thừa từ gà thịt 14 và 38 ngày tuổi. Các phân lập E. coli được kiểm tra khả năng kháng ampicillin, cefotaxime, ciprofloxacin, streptomycin, sulfamethoxazole và tetracycline theo các ngưỡng đã được xác định trước đó cho mỗi loại kháng sinh. Khi quần thể E. coli tương ứng được định lượng và đặc trưng, ​​cả enrofloxacin lẫn việc bổ sung hỗn hợp axit đều không làm thay đổi tổng số lượng E. coli được phân lập từ ruột thừa của gà thịt 17 và 28 ngày tuổi. Chim được cho ăn chế độ ăn bổ sung enrofloxacin có mức độ E. coli kháng ciprofloxacin, streptomycin, sulfamethoxazole và tetracycline tăng lên và mức độ E. coli kháng cefotaxime giảm xuống trong manh tràng. Chim được cho ăn hỗn hợp có số lượng E. coli kháng ampicillin và tetracycline trong manh tràng giảm so với nhóm đối chứng và chim được bổ sung enrofloxacin. Chim được cho ăn hỗn hợp axit cũng có sự giảm số lượng E. coli kháng ciprofloxacin và sulfamethoxazole trong manh tràng so với chim được cho ăn enrofloxacin. Cơ chế mà axit làm giảm số lượng E. coli kháng kháng sinh mà không làm giảm tổng số lượng E. coli vẫn chưa rõ ràng. Tuy nhiên, kết quả nghiên cứu của Roth et al. phù hợp với nhóm enrofloxacin. (142) Điều này có thể là dấu hiệu của sự giảm lan truyền các gen kháng kháng sinh trong E. coli, chẳng hạn như các chất ức chế liên kết plasmid được mô tả bởi Cabezon et al. (143). Sẽ rất thú vị nếu tiến hành phân tích sâu hơn về tình trạng kháng kháng sinh do plasmid gây ra trong quần thể vi khuẩn đường ruột của gia cầm khi có mặt các chất phụ gia trong thức ăn như axit formic, và tiếp tục tinh chỉnh phân tích này bằng cách đánh giá hệ gen kháng thuốc trong đường tiêu hóa.
Việc phát triển các chất phụ gia thức ăn kháng khuẩn tối ưu chống lại mầm bệnh lý tưởng nhất nên có tác động tối thiểu đến hệ vi khuẩn đường tiêu hóa nói chung, đặc biệt là đối với các vi sinh vật được coi là có lợi cho vật chủ. Tuy nhiên, các axit hữu cơ được đưa vào từ bên ngoài có thể gây ra những ảnh hưởng bất lợi đến hệ vi khuẩn đường tiêu hóa thường trú và ở một mức độ nào đó làm mất đi các đặc tính bảo vệ của chúng chống lại mầm bệnh. Ví dụ, Thompson và Hinton (129) đã quan sát thấy mức axit lactic trong diều giảm ở gà mái đẻ được cho ăn hỗn hợp axit formic và propionic, cho thấy sự hiện diện của các axit hữu cơ ngoại sinh này trong diều dẫn đến giảm số lượng vi khuẩn lactobacilli trong diều. Vi khuẩn lactobacilli trong diều được coi là rào cản đối với Salmonella, và do đó sự phá vỡ hệ vi khuẩn thường trú trong diều này có thể gây bất lợi cho việc giảm thành công sự xâm nhiễm Salmonella vào đường tiêu hóa (144). Açıkgöz et al. nhận thấy rằng tác động lên đường tiêu hóa dưới của chim có thể thấp hơn. (145) Không tìm thấy sự khác biệt nào về tổng số vi khuẩn đường ruột hoặc số lượng Escherichia coli ở gà thịt 42 ngày tuổi uống nước được axit hóa bằng axit formic. Các tác giả cho rằng điều này có thể là do formate được chuyển hóa ở đường tiêu hóa trên, như đã được các nhà nghiên cứu khác quan sát thấy với các axit béo chuỗi ngắn (SCFA) được đưa vào từ bên ngoài (128, 129).
Việc bảo vệ axit formic thông qua một số hình thức bao bọc có thể giúp nó đến được đường tiêu hóa dưới. (146) lưu ý rằng axit formic được bao bọc vi mô làm tăng đáng kể tổng hàm lượng axit béo chuỗi ngắn (SCFA) trong manh tràng của lợn so với lợn được cho ăn axit formic không được bảo vệ. Kết quả này đã khiến các tác giả đề xuất rằng axit formic có thể đến được đường tiêu hóa dưới một cách hiệu quả nếu nó được bảo vệ đúng cách. Tuy nhiên, một số thông số khác, chẳng hạn như nồng độ formate và lactate, mặc dù cao hơn so với lợn được cho ăn chế độ ăn kiểm soát, nhưng không khác biệt đáng kể về mặt thống kê so với lợn được cho ăn chế độ ăn formate không được bảo vệ. Mặc dù lợn được cho ăn cả axit formic không được bảo vệ và được bảo vệ đều cho thấy lượng axit lactic tăng gần gấp ba lần, nhưng số lượng lactobacilli không bị thay đổi bởi bất kỳ phương pháp điều trị nào. Sự khác biệt có thể rõ rệt hơn đối với các vi sinh vật sản sinh axit lactic khác trong manh tràng (1) không được phát hiện bằng các phương pháp này và/hoặc (2) có hoạt động trao đổi chất bị ảnh hưởng, do đó làm thay đổi mô hình lên men sao cho lactobacilli cư trú sản sinh ra nhiều axit lactic hơn.
Để nghiên cứu chính xác hơn tác động của các chất phụ gia thức ăn lên đường tiêu hóa của động vật nuôi, cần có các phương pháp nhận dạng vi sinh vật có độ phân giải cao hơn. Trong vài năm qua, giải trình tự thế hệ tiếp theo (NGS) của gen RNA 16S đã được sử dụng để xác định các loài vi sinh vật và so sánh sự đa dạng của cộng đồng vi sinh vật (147), điều này đã giúp hiểu rõ hơn về sự tương tác giữa các chất phụ gia thức ăn trong khẩu phần ăn và hệ vi sinh vật đường tiêu hóa của động vật thực phẩm như gia cầm.
Một số nghiên cứu đã sử dụng giải trình tự hệ vi sinh vật để đánh giá phản ứng của hệ vi sinh vật đường tiêu hóa của gà đối với việc bổ sung formate. Oakley et al. (148) đã tiến hành một nghiên cứu trên gà thịt 42 ngày tuổi được bổ sung các tổ hợp khác nhau của axit formic, axit propionic và axit béo chuỗi trung bình trong nước uống hoặc thức ăn. Gà được tiêm chủng được gây nhiễm với chủng Salmonella typhimurium kháng axit nalidixic và manh tràng của chúng được lấy ra ở các độ tuổi 0, 7, 21 và 42 ngày. Các mẫu manh tràng được chuẩn bị để giải trình tự pyrosequencing 454 và kết quả giải trình tự được đánh giá để phân loại và so sánh độ tương đồng. Nhìn chung, các phương pháp điều trị không ảnh hưởng đáng kể đến hệ vi sinh vật manh tràng hoặc mức độ S. Typhimurium. Tuy nhiên, tỷ lệ phát hiện Salmonella tổng thể giảm khi gà lớn lên, được xác nhận bằng phân tích phân loại hệ vi sinh vật, và sự phong phú tương đối của các trình tự Salmonella cũng giảm theo thời gian. Các tác giả lưu ý rằng khi gà thịt lớn lên, sự đa dạng của quần thể vi sinh vật manh tràng tăng lên, với những thay đổi đáng kể nhất trong hệ vi khuẩn đường tiêu hóa được quan sát thấy ở tất cả các nhóm điều trị. Trong một nghiên cứu gần đây, Hu et al. (149) đã so sánh tác động của nước uống và chế độ ăn bổ sung hỗn hợp axit hữu cơ (axit formic, axit axetic, axit propionic và amoni formate) và virginiamycin lên các mẫu hệ vi sinh vật manh tràng từ gà thịt được thu thập ở hai giai đoạn (1–21 ngày và 22–42 ngày). Mặc dù một số khác biệt về sự đa dạng của hệ vi sinh vật manh tràng được quan sát thấy giữa các nhóm điều trị ở 21 ngày tuổi, nhưng không phát hiện thấy sự khác biệt nào về sự đa dạng của vi khuẩn α hoặc β ở 42 ngày tuổi. Do không có sự khác biệt ở 42 ngày tuổi, các tác giả đã đưa ra giả thuyết rằng lợi thế tăng trưởng có thể là do sự hình thành sớm hơn của một hệ vi sinh vật đa dạng tối ưu.
Phân tích hệ vi sinh vật chỉ tập trung vào cộng đồng vi khuẩn manh tràng có thể không phản ánh được vị trí trong đường tiêu hóa nơi xảy ra hầu hết các tác động của axit hữu cơ trong chế độ ăn. Hệ vi sinh vật đường tiêu hóa trên của gà thịt có thể dễ bị ảnh hưởng hơn bởi các axit hữu cơ trong chế độ ăn, như được gợi ý bởi kết quả của Hume et al. (128). Hume et al. (128) đã chứng minh rằng hầu hết propionat được thêm vào từ bên ngoài được hấp thụ ở đường tiêu hóa trên của chim. Các nghiên cứu gần đây về đặc điểm của vi sinh vật đường tiêu hóa cũng ủng hộ quan điểm này. Nava et al. (150) đã chứng minh rằng sự kết hợp của hỗn hợp các axit hữu cơ [DL-2-hydroxy-4(methylthio)butyric acid], axit formic và axit propionic (HFP) ảnh hưởng đến hệ vi sinh vật đường ruột và làm tăng sự xâm chiếm của Lactobacillus ở hồi tràng của gà. Gần đây, Goodarzi Borojeni et al. (150) đã chứng minh rằng sự kết hợp của hỗn hợp axit hữu cơ [DL-2-hydroxy-4(methylthio)butyric acid], axit formic và axit propionic (HFP) ảnh hưởng đến hệ vi sinh vật đường ruột và làm tăng sự xâm chiếm của Lactobacillus ở hồi tràng của gà. (151) đã nghiên cứu việc cho gà thịt ăn hỗn hợp axit formic và axit propionic ở hai nồng độ (0,75% và 1,50%) trong 35 ngày. Vào cuối thí nghiệm, diều, dạ dày, hai phần ba cuối của hồi tràng và manh tràng được lấy ra và lấy mẫu để phân tích định lượng hệ vi sinh vật đường tiêu hóa cụ thể và các chất chuyển hóa bằng RT-PCR. Trong nuôi cấy, nồng độ axit hữu cơ không ảnh hưởng đến số lượng Lactobacillus hoặc Bifidobacterium, nhưng làm tăng quần thể Clostridium. Ở hồi tràng, những thay đổi duy nhất là sự giảm Lactobacillus và Enterobacter, trong khi ở manh tràng, hệ vi sinh vật này vẫn không thay đổi (151). Ở nồng độ bổ sung axit hữu cơ cao nhất, tổng nồng độ axit lactic (D và L) giảm trong diều, nồng độ cả hai loại axit hữu cơ đều giảm trong mề, và nồng độ axit hữu cơ thấp hơn trong manh tràng. Không có thay đổi nào ở hồi tràng. Về axit béo chuỗi ngắn (SCFA), sự thay đổi duy nhất trong diều và mề của gà được cho ăn axit hữu cơ là ở mức độ propionat. Gà được cho ăn nồng độ axit hữu cơ thấp hơn cho thấy sự gia tăng gần gấp mười lần propionat trong diều, trong khi gà được cho ăn hai nồng độ axit hữu cơ cho thấy sự gia tăng propionat trong mề lần lượt gấp tám và mười lăm lần. Sự gia tăng acetate trong hồi tràng ít hơn hai lần. Nhìn chung, những dữ liệu này ủng hộ quan điểm rằng hầu hết các tác động của việc bổ sung axit hữu cơ từ bên ngoài đều thể hiện rõ ở năng suất, trong khi axit hữu cơ có tác động tối thiểu đến hệ vi sinh vật đường tiêu hóa dưới, cho thấy rằng mô hình lên men của hệ vi khuẩn thường trú đường tiêu hóa trên có thể đã bị thay đổi.
Rõ ràng, cần có sự mô tả chi tiết hơn về hệ vi sinh vật để làm sáng tỏ đầy đủ các phản ứng của vi sinh vật đối với formate trong toàn bộ đường tiêu hóa. Phân tích sâu hơn về phân loại vi sinh vật của các ngăn cụ thể trong đường tiêu hóa, đặc biệt là các ngăn trên như diều, có thể cung cấp thêm thông tin chi tiết về sự chọn lọc của một số nhóm vi sinh vật nhất định. Hoạt động trao đổi chất và enzym của chúng cũng có thể quyết định liệu chúng có mối quan hệ đối kháng với các tác nhân gây bệnh xâm nhập vào đường tiêu hóa hay không. Việc tiến hành phân tích metagenomic cũng rất thú vị để xác định liệu việc tiếp xúc với các chất phụ gia hóa học có tính axit trong suốt vòng đời của chim có chọn lọc ra các vi khuẩn thường trú "chịu được axit" hơn hay không, và liệu sự hiện diện và/hoặc hoạt động trao đổi chất của các vi khuẩn này có tạo ra rào cản bổ sung đối với sự xâm nhập của tác nhân gây bệnh hay không.
Axit formic đã được sử dụng trong nhiều năm như một chất phụ gia hóa học trong thức ăn chăn nuôi và như một chất làm chua thức ăn ủ chua. Một trong những công dụng chính của nó là tác dụng kháng khuẩn nhằm hạn chế số lượng mầm bệnh trong thức ăn và sự xâm nhập sau đó của chúng vào đường tiêu hóa của gia cầm. Các nghiên cứu trong ống nghiệm đã chỉ ra rằng axit formic là một chất kháng khuẩn tương đối hiệu quả chống lại Salmonella và các mầm bệnh khác. Tuy nhiên, việc sử dụng axit formic trong ma trận thức ăn có thể bị hạn chế bởi lượng chất hữu cơ cao trong các thành phần thức ăn và khả năng đệm tiềm tàng của chúng. Axit formic dường như có tác dụng đối kháng với Salmonella và các mầm bệnh khác khi được ăn vào qua thức ăn hoặc nước uống. Tuy nhiên, sự đối kháng này chủ yếu xảy ra ở đường tiêu hóa trên, vì nồng độ axit formic có thể bị giảm ở đường tiêu hóa dưới, giống như trường hợp của axit propionic. Khái niệm bảo vệ axit formic thông qua bao bọc mang lại một cách tiếp cận tiềm năng để cung cấp nhiều axit hơn cho đường tiêu hóa dưới. Hơn nữa, các nghiên cứu đã chỉ ra rằng hỗn hợp các axit hữu cơ hiệu quả hơn trong việc cải thiện hiệu suất gia cầm so với việc sử dụng một loại axit duy nhất (152). Vi khuẩn Campylobacter trong đường tiêu hóa có thể phản ứng khác nhau với formate, vì chúng có thể sử dụng formate như một chất cho electron, và formate là nguồn năng lượng chính của chúng. Hiện chưa rõ liệu việc tăng nồng độ formate trong đường tiêu hóa có lợi cho Campylobacter hay không, và điều này có thể không xảy ra tùy thuộc vào các vi khuẩn đường ruột khác có thể sử dụng formate làm chất nền.
Cần có thêm các nghiên cứu để điều tra tác động của axit formic trong đường tiêu hóa lên các vi sinh vật thường trú không gây bệnh trong đường tiêu hóa. Chúng tôi ưu tiên nhắm mục tiêu chọn lọc vào các tác nhân gây bệnh mà không làm xáo trộn các thành viên của hệ vi sinh vật đường tiêu hóa có lợi cho vật chủ. Tuy nhiên, điều này đòi hỏi phân tích sâu hơn về trình tự hệ vi sinh vật của các cộng đồng vi sinh vật thường trú trong đường tiêu hóa này. Mặc dù một số nghiên cứu đã được công bố về hệ vi sinh vật manh tràng của gia cầm được xử lý bằng axit formic, nhưng cần chú ý nhiều hơn đến cộng đồng vi sinh vật đường tiêu hóa trên. Việc xác định vi sinh vật và so sánh sự tương đồng giữa các cộng đồng vi sinh vật đường tiêu hóa khi có hoặc không có axit formic có thể là một mô tả chưa đầy đủ. Cần có các phân tích bổ sung, bao gồm cả chuyển hóa học và siêu gen học, để đặc trưng hóa sự khác biệt về chức năng giữa các nhóm có thành phần tương tự. Việc đặc trưng hóa như vậy rất quan trọng để thiết lập mối quan hệ giữa cộng đồng vi sinh vật đường tiêu hóa và phản ứng hiệu suất của gia cầm đối với các chất cải thiện dựa trên axit formic. Kết hợp nhiều phương pháp để đặc trưng hóa chức năng đường tiêu hóa chính xác hơn sẽ cho phép phát triển các chiến lược bổ sung axit hữu cơ hiệu quả hơn và cuối cùng cải thiện khả năng dự đoán sức khỏe và hiệu suất tối ưu của gia cầm đồng thời hạn chế rủi ro an toàn thực phẩm.
SR đã viết bài đánh giá này với sự hỗ trợ của DD và KR. Tất cả các tác giả đều đóng góp đáng kể vào công trình được trình bày trong bài đánh giá này.
Các tác giả tuyên bố rằng bài đánh giá này nhận được tài trợ từ Tập đoàn Anitox để bắt đầu việc viết và xuất bản. Các nhà tài trợ không có bất kỳ ảnh hưởng nào đến quan điểm và kết luận được trình bày trong bài đánh giá này hoặc quyết định xuất bản bài viết.
Các tác giả còn lại tuyên bố rằng nghiên cứu được thực hiện mà không có bất kỳ mối quan hệ thương mại hoặc tài chính nào có thể được coi là xung đột lợi ích tiềm tàng.
Tiến sĩ DD xin được bày tỏ lòng biết ơn đối với sự hỗ trợ từ Trường Cao học Đại học Arkansas thông qua Học bổng Giảng dạy Xuất sắc, cũng như sự hỗ trợ liên tục từ Chương trình Sinh học Tế bào và Phân tử Đại học Arkansas và Khoa Khoa học Thực phẩm. Ngoài ra, các tác giả cũng xin cảm ơn Anitox vì sự hỗ trợ ban đầu trong việc viết bài đánh giá này.
1. Dibner JJ, Richards JD. Sử dụng chất kích thích tăng trưởng kháng sinh trong nông nghiệp: lịch sử và cơ chế hoạt động. Khoa học Gia cầm (2005) 84:634–43. doi: 10.1093/ps/84.4.634
2. Jones FT, Rick SC. Lịch sử phát triển và giám sát chất kháng khuẩn trong thức ăn gia cầm. Khoa học Gia cầm (2003) 82:613–7. doi: 10.1093/ps/82.4.613
3. Broom LJ. Lý thuyết ức chế dưới mức của chất kích thích tăng trưởng kháng sinh. Khoa học Gia cầm (2017) 96:3104–5. doi: 10.3382/ps/pex114
4. Sorum H, L'Abe-Lund TM. Kháng kháng sinh ở vi khuẩn gây bệnh từ thực phẩm—hậu quả của sự gián đoạn trong mạng lưới di truyền vi khuẩn toàn cầu. Tạp chí Quốc tế về Vi sinh vật Thực phẩm (2002) 78:43–56. doi: 10.1016/S0168-1605(02)00241-6
5. Van Immerseel F, Cauwaerts K, Devriese LA, Heesebroek F, Ducatel R. Phụ gia thức ăn để kiểm soát Salmonella trong thức ăn chăn nuôi. Tạp chí Khoa học Gia cầm Thế giới (2002) 58:501–13. doi: 10.1079/WPS20020036
6. Angulo FJ, Baker NL, Olsen SJ, Anderson A, Barrett TJ. Sử dụng thuốc kháng sinh trong nông nghiệp: kiểm soát sự lây truyền kháng thuốc kháng sinh sang người. Hội thảo về bệnh truyền nhiễm nhi khoa (2004) 15:78–85. doi: 10.1053/j.spid.2004.01.010
7. Lekshmi M, Ammini P, Kumar S, Varela MF. Môi trường sản xuất thực phẩm và sự tiến hóa của tình trạng kháng kháng sinh ở các tác nhân gây bệnh ở người có nguồn gốc từ động vật. Vi sinh học (2017) 5:11. doi: 10.3390/microorganisms5010011
8. Lourenço JM, Seidel DS, Callaway TR. Chương 9: Thuốc kháng sinh và chức năng đường ruột: lịch sử và tình trạng hiện tại. Trong: Ricke SC, biên tập. Cải thiện sức khỏe đường ruột ở gia cầm. Cambridge: Burley Dodd (2020). Trang 189–204. DOI: 10.19103/AS2019.0059.10
9. Rick SC. Số 8: Vệ sinh thức ăn chăn nuôi. Trong: Dewulf J, van Immerzeel F, biên tập. An toàn sinh học trong chăn nuôi và thú y. Leuven: ACCO (2017). Trang 144–76.