Dieser Artikel ist Teil des Forschungsthemas „Antibiotikaeinsatz, Antibiotikaresistenz und das Mikrobiom von Nutztieren“. Alle 13 Artikel ansehen
Organische Säuren sind als Zusatzstoffe in Tierfutter weiterhin stark nachgefragt. Bisher lag der Fokus auf der Lebensmittelsicherheit, insbesondere auf der Reduzierung von Lebensmittelinfektionen bei Geflügel und anderen Tieren. Verschiedene organische Säuren werden derzeit erforscht oder sind bereits kommerziell im Einsatz. Ameisensäure zählt zu den vielen intensiv untersuchten organischen Säuren. Sie wird Geflügelfutter zugesetzt, um das Vorkommen von Salmonellen und anderen Lebensmittelpathogenen im Futter und im Magen-Darm-Trakt nach der Aufnahme zu begrenzen. Mit zunehmendem Verständnis der Wirksamkeit und der Auswirkungen von Ameisensäure auf den Wirt und Lebensmittelpathogene wird deutlich, dass Ameisensäure spezifische Stoffwechselwege in Salmonellen aktivieren kann. Diese Reaktion kann komplexer werden, wenn Ameisensäure in den Magen-Darm-Trakt gelangt und nicht nur mit bereits dort ansässigen Salmonellen, sondern auch mit der Darmflora interagiert. Dieser Übersichtsartikel untersucht die aktuellen Ergebnisse und Perspektiven für weitere Forschungen zum Mikrobiom von Geflügel und mit Ameisensäure behandeltem Futter.
Sowohl in der Nutztier- als auch in der Geflügelproduktion besteht die Herausforderung darin, Managementstrategien zu entwickeln, die Wachstum und Produktivität optimieren und gleichzeitig die Risiken für die Lebensmittelsicherheit minimieren. Traditionell hat die Verabreichung von Antibiotika in subtherapeutischen Konzentrationen die Tiergesundheit, das Tierwohl und die Produktivität verbessert (1–3). Aus wirkmechanismustechnischer Sicht wurde postuliert, dass Antibiotika in subinhibitorischen Konzentrationen die Wirtsreaktionen durch Modulation der Darmflora und damit deren Interaktionen mit dem Wirt beeinflussen (3). Anhaltende Bedenken hinsichtlich der potenziellen Verbreitung antibiotikaresistenter, lebensmittelbedingter Krankheitserreger und deren möglicher Verbindung mit antibiotikaresistenten Infektionen beim Menschen haben jedoch zu einem schrittweisen Rückgang des Antibiotikaeinsatzes in der Tierhaltung geführt (4–8). Daher ist die Entwicklung von Futterzusatzstoffen und -verbesserungsmitteln, die zumindest einige dieser Anforderungen (verbesserte Tiergesundheit, Tierwohl und Produktivität) erfüllen, sowohl für die akademische Forschung als auch für die kommerzielle Entwicklung von großem Interesse (5, 9). Eine Vielzahl kommerzieller Futtermittelzusatzstoffe ist auf dem Tierfuttermarkt erschienen, darunter Probiotika, Präbiotika, ätherische Öle und verwandte Verbindungen aus verschiedenen Pflanzenquellen sowie Chemikalien wie Aldehyde (10–14). Weitere in der Geflügelzucht häufig verwendete Futtermittelzusatzstoffe sind Bakteriophagen, Zinkoxid, exogene Enzyme, Produkte zur kompetitiven Exklusion und saure Verbindungen (15, 16).
Unter den bestehenden chemischen Futtermittelzusätzen zählen Aldehyde und organische Säuren seit jeher zu den am häufigsten untersuchten und verwendeten Verbindungen (12, 17–21). Organische Säuren, insbesondere kurzkettige Fettsäuren (SCFAs), sind bekannte Antagonisten pathogener Bakterien. Sie werden als Futtermittelzusätze eingesetzt, um nicht nur das Vorkommen von Krankheitserregern in der Futtermatrix zu begrenzen, sondern auch aktiv auf die Magen-Darm-Funktion einzuwirken (17, 20–24). Darüber hinaus werden SCFAs durch Fermentation von der Darmflora im Verdauungstrakt produziert und spielen vermutlich eine mechanistische Rolle bei der Fähigkeit einiger Probiotika und Präbiotika, im Magen-Darm-Trakt aufgenommene Krankheitserreger zu bekämpfen (21, 23, 25).
Im Laufe der Jahre haben verschiedene kurzkettige Fettsäuren (SCFAs) als Futtermittelzusatzstoffe große Aufmerksamkeit erregt. Insbesondere Propionat, Butyrat und Formiat waren Gegenstand zahlreicher Studien und kommerzieller Anwendungen (17, 20, 21, 23, 24, 26). Während sich frühe Studien auf die Bekämpfung lebensmittelbedingter Krankheitserreger in Tier- und Geflügelfutter konzentrierten, liegt der Fokus neuerer Untersuchungen auf der allgemeinen Verbesserung der Tierleistung und der Magen-Darm-Gesundheit (20, 21, 24). Acetat, Propionat und Butyrat haben als organische Säurezusatzstoffe in Futtermitteln viel Beachtung gefunden, wobei Ameisensäure ebenfalls ein vielversprechender Kandidat ist (21, 23). Besonderes Augenmerk lag dabei auf den lebensmittelsicherheitsrelevanten Aspekten von Ameisensäure, insbesondere auf der Reduzierung des Auftretens lebensmittelbedingter Krankheitserreger im Tierfutter. Es werden jedoch auch andere mögliche Anwendungen in Betracht gezogen. Ziel dieses Reviews ist es, die Geschichte und den aktuellen Stand von Ameisensäure als Futtermittelverbesserungsmittel zu untersuchen (Abbildung 1). In dieser Studie untersuchen wir den antibakteriellen Wirkmechanismus der Ameisensäure. Darüber hinaus betrachten wir ihre Auswirkungen auf Nutztiere und Geflügel genauer und diskutieren mögliche Methoden zur Verbesserung ihrer Wirksamkeit.
Abb. 1. Mindmap der in diesem Review behandelten Themen. Im Fokus standen insbesondere folgende allgemeine Ziele: die Geschichte und der aktuelle Stand der Ameisensäure als Futtermittelzusatz, die antimikrobiellen Wirkmechanismen der Ameisensäure und die Auswirkungen ihrer Anwendung auf die Gesundheit von Nutztieren und Geflügel sowie mögliche Methoden zur Verbesserung der Wirksamkeit.
Die Herstellung von Futtermitteln für Nutztiere und Geflügel ist ein komplexer Prozess mit mehreren Schritten. Dazu gehören die physikalische Aufbereitung des Getreides (z. B. Mahlen zur Partikelgrößenreduzierung), die thermische Verarbeitung zur Pelletierung und die Zugabe verschiedener Nährstoffe zum Futter, abgestimmt auf die spezifischen Bedürfnisse des Tieres (27). Angesichts dieser Komplexität ist es nicht verwunderlich, dass Getreide während der Futterverarbeitung einer Vielzahl von Umwelteinflüssen ausgesetzt ist – vor, während und nach der Verarbeitung in der Futtermühle sowie beim Transport und der Verfütterung in Mischfutterrationen (9, 21, 28). So wurde im Laufe der Jahre eine sehr vielfältige Gruppe von Mikroorganismen im Futter identifiziert, darunter nicht nur Bakterien, sondern auch Bakteriophagen, Pilze und Hefen (9, 21, 28–31). Einige dieser Kontaminanten, wie beispielsweise bestimmte Pilze, können Mykotoxine produzieren, die ein Gesundheitsrisiko für Tiere darstellen (32–35).
Bakterienpopulationen können relativ vielfältig sein und hängen bis zu einem gewissen Grad von den jeweiligen Methoden zur Isolierung und Identifizierung von Mikroorganismen sowie von der Probenherkunft ab. Beispielsweise kann sich das mikrobielle Zusammensetzungsprofil vor der Wärmebehandlung im Zusammenhang mit der Pelletierung unterscheiden (36). Obwohl klassische Kultur- und Plattenausstrichverfahren einige Informationen geliefert haben, ermöglicht die jüngste Anwendung der 16S-rRNA-Gen-basierten Next-Generation-Sequenzierung (NGS) eine umfassendere Bewertung der Futterpflanzen-Mikrobiomgemeinschaft (9). Als Solanki et al. (37) das bakterielle Mikrobiom von Weizenkörnern untersuchten, die über einen bestimmten Zeitraum in Gegenwart von Phosphin, einem Insektenbekämpfungsmittel, gelagert wurden, stellten sie fest, dass das Mikrobiom nach der Ernte und nach dreimonatiger Lagerung vielfältiger war. Darüber hinaus stellten Solanki et al. fest, dass… (37) zeigten, dass Proteobacteria, Firmicutes, Actinobacteria, Bacteroidetes und Planctomyces die dominanten Phyla in Weizenkörnern waren, Bacillus, Erwinia und Pseudomonas die dominanten Gattungen und Enterobacteriaceae einen geringen Anteil ausmachten. Basierend auf taxonomischen Vergleichen kamen sie zu dem Schluss, dass die Phosphinbegasung die Bakterienpopulationen signifikant veränderte, die Pilzdiversität jedoch nicht beeinflusste.
Solanki et al. (37) zeigten anhand des Nachweises von Enterobacteriaceae im Mikrobiom, dass Futtermittel auch lebensmittelbedingte Krankheitserreger enthalten können, die zu Problemen der öffentlichen Gesundheit führen können. Lebensmittelbedingte Krankheitserreger wie Clostridium perfringens, Clostridium botulinum, Salmonella, Campylobacter, Escherichia coli O157:H7 und Listeria monocytogenes wurden mit Tierfutter und Silage in Verbindung gebracht (9, 31, 38). Die Persistenz anderer lebensmittelbedingter Krankheitserreger in Tier- und Geflügelfutter ist derzeit unbekannt. Ge et al. (39) untersuchten über 200 Tierfutterbestandteile und isolierten Salmonella, E. coli und Enterokokken, konnten jedoch weder E. coli O157:H7 noch Campylobacter nachweisen. Allerdings können Matrices wie Trockenfutter als Quelle für pathogene E. coli dienen. Bei der Suche nach der Quelle eines Ausbruchs von Shiga-Toxin-produzierenden Escherichia coli (STEC) der Serogruppen O121 und O26 im Jahr 2016, der mit Erkrankungen beim Menschen in Verbindung gebracht wurde, verglichen Crowe et al. (40) mithilfe der Ganzgenomsequenzierung klinische Isolate mit Isolaten aus Lebensmitteln. Basierend auf diesem Vergleich kamen sie zu dem Schluss, dass die wahrscheinliche Quelle rohes Weizenmehl mit niedrigem Feuchtigkeitsgehalt aus Mühlen war. Der niedrige Feuchtigkeitsgehalt von Weizenmehl legt nahe, dass STEC auch in Tierfutter mit niedrigem Feuchtigkeitsgehalt überleben kann. Wie Crowe et al. (40) jedoch anmerken, ist die Isolierung von STEC aus Mehlproben schwierig und erfordert immunomagnetische Trennverfahren, um eine ausreichende Anzahl von Bakterienzellen zu gewinnen. Ähnliche diagnostische Verfahren können auch die Erkennung und Isolierung seltener lebensmittelbedingter Krankheitserreger in Tierfutter erschweren. Die Schwierigkeit der Erkennung könnte auch auf die lange Persistenz dieser Erreger in Matrices mit niedrigem Feuchtigkeitsgehalt zurückzuführen sein. Forghani et al. (41) zeigten, dass Weizenmehl, das bei Raumtemperatur gelagert und mit einer Mischung aus enterohämorrhagischen Escherichia coli (EHEC) Serogruppen O45, O121 und O145 sowie Salmonella (S. Typhimurium, S. Agona, S. Enteritidis und S. Anatum) beimpft wurde, nach 84 und 112 Tagen quantifizierbar und nach 24 und 52 Wochen immer noch nachweisbar war.
Campylobacter konnte historisch gesehen mit traditionellen Kulturmethoden nie aus Tier- und Geflügelfutter isoliert werden (38, 39), obwohl es leicht aus dem Magen-Darm-Trakt von Geflügel und Geflügelprodukten isoliert werden kann (42, 43). Futtermittel bieten jedoch weiterhin Vorteile als potenzielle Infektionsquelle. So zeigten Alves et al. (44), dass die Beimpfung von Mastfutter mit C. jejuni und die anschließende Lagerung des Futters bei zwei verschiedenen Temperaturen über 3 oder 5 Tage zur Gewinnung lebensfähiger C. jejuni und in einigen Fällen sogar zu deren Vermehrung führte. Sie schlussfolgerten, dass C. jejuni in Geflügelfutter überleben kann und daher eine potenzielle Infektionsquelle für Hühner darstellt.
Die Kontamination von Tier- und Geflügelfutter mit Salmonellen hat in der Vergangenheit viel Aufmerksamkeit erfahren und ist weiterhin Gegenstand laufender Bemühungen zur Entwicklung spezifischer Nachweismethoden für Futtermittel und zur Suche nach effektiveren Kontrollmaßnahmen (12, 26, 30, 45–53). Im Laufe der Jahre haben zahlreiche Studien die Isolierung und Charakterisierung von Salmonellen in verschiedenen Futtermittelbetrieben und Futtermittelwerken untersucht (38, 39, 54–61). Insgesamt zeigen diese Studien, dass Salmonellen aus einer Vielzahl von Futtermittelbestandteilen, Futtermittelquellen, Futtermittelarten und im Rahmen der Futtermittelherstellung isoliert werden können. Auch die Prävalenzraten und die vorherrschenden isolierten Salmonellen-Serotypen variierten. So bestätigten Li et al. (57) das Vorhandensein von Salmonella spp. in 12,5 % von 2058 Proben, die im Datenerhebungszeitraum von 2002 bis 2009 aus Alleinfuttermitteln, Futtermittelbestandteilen, Heimtierfutter, Leckerlis und Nahrungsergänzungsmitteln für Haustiere entnommen wurden. Darüber hinaus waren die häufigsten Serotypen in den 12,5 % der positiv getesteten Salmonella-Proben S. Senftenberg und S. Montevideo (57). In einer Studie über verzehrfertige Lebensmittel und Tierfutternebenprodukte in Texas berichteten Hsieh et al. (58), dass Salmonella am häufigsten in Fischmehl vorkam, gefolgt von tierischen Proteinen, wobei S. Mbanka und S. Montevideo die häufigsten Serotypen waren. Auch Futtermittelwerke stellen mehrere potenzielle Kontaminationsquellen für Futtermittel beim Mischen und Hinzufügen von Zutaten dar (9, 56, 61). Magossi et al. (61) konnten zeigen, dass es bei der Futtermittelproduktion in den Vereinigten Staaten zu mehreren Kontaminationspunkten kommen kann. Tatsächlich fanden Magossi et al. (61) in elf Futtermittelwerken (insgesamt zwölf Probenahmestellen) in acht US-Bundesstaaten mindestens eine positive Salmonella-Kultur. Angesichts des Risikos einer Salmonellenkontamination bei der Futtermittelhandhabung, dem Transport und der täglichen Fütterung ist es nicht verwunderlich, dass erhebliche Anstrengungen unternommen werden, um Futtermittelzusätze zu entwickeln, die eine mikrobielle Kontamination während des gesamten Tierproduktionszyklus reduzieren und auf einem niedrigen Niveau halten können.
Über den Mechanismus der spezifischen Reaktion von Salmonella auf Ameisensäure ist wenig bekannt. Huang et al. (62) wiesen jedoch nach, dass Ameisensäure im Dünndarm von Säugetieren vorkommt und dass Salmonella spp. Ameisensäure produzieren können. Mithilfe einer Reihe von Deletionsmutanten wichtiger Stoffwechselwege untersuchten Huang et al. (62) die Expression von Salmonella-Virulenzgenen und fanden heraus, dass Formiat als diffusibles Signal die Invasion von Salmonella in Hep-2-Epithelzellen induzieren kann. Kürzlich isolierten Liu et al. (63) aus Salmonella typhimurium den Formiattransporter FocA, der bei pH 7,0 als spezifischer Formiatkanal fungiert, bei hohem pH-Wert jedoch auch als passiver Exportkanal und bei niedrigem pH-Wert als sekundär aktiver Formiat-/Wasserstoffionen-Importkanal. Diese Studie wurde jedoch nur an einem Serotyp von S. Typhimurium durchgeführt. Es bleibt daher die Frage, ob alle Serotypen mit ähnlichen Mechanismen auf Ameisensäure reagieren. Dies bleibt eine wichtige Forschungsfrage, die in zukünftigen Studien untersucht werden sollte. Ungeachtet der Ergebnisse ist es ratsam, bei der Entwicklung allgemeiner Empfehlungen für den Einsatz von Säurezusätzen zur Reduzierung des Salmonella-Gehalts im Futter mehrere Salmonella-Serotypen oder sogar mehrere Stämme jedes Serotyps in Screening-Experimenten zu verwenden. Neuere Ansätze, wie die Verwendung von genetischem Barcoding zur Kodierung von Stämmen, um verschiedene Untergruppen desselben Serotyps zu unterscheiden (9, 64), bieten die Möglichkeit, feinere Unterschiede zu erkennen, die Auswirkungen auf Schlussfolgerungen und deren Interpretation haben können.
Die chemische Natur und die Dissoziationsform von Formiat könnten ebenfalls von Bedeutung sein. In einer Reihe von Studien zeigten Beyer et al. (65–67), dass die Hemmung von Enterococcus faecium, Campylobacter jejuni und Campylobacter coli mit der Menge an dissoziierter Ameisensäure korrelierte und unabhängig vom pH-Wert oder der Menge an undissoziierter Ameisensäure war. Auch die chemische Form des Formiats, der die Bakterien ausgesetzt sind, scheint wichtig zu sein. Kovanda et al. (68) untersuchten verschiedene gramnegative und grampositive Organismen und verglichen die minimalen Hemmkonzentrationen (MHK) von Natriumformiat (500–25.000 mg/L) und einer Mischung aus Natriumformiat und freiem Formiat (40/60 m/V; 10–10.000 mg/L). Anhand der MHK-Werte stellten die Forscher fest, dass Natriumformiat nur gegen Campylobacter jejuni, Clostridium perfringens, Streptococcus suis und Streptococcus pneumoniae hemmend wirkte, nicht jedoch gegen Escherichia coli, Salmonella typhimurium oder Enterococcus faecalis. Im Gegensatz dazu hemmte eine Mischung aus Natriumformiat und freiem Natriumformiat alle Organismen, woraus die Autoren schlossen, dass freie Ameisensäure die meisten antimikrobiellen Eigenschaften besitzt. Es wäre interessant, verschiedene Verhältnisse dieser beiden chemischen Formen zu untersuchen, um festzustellen, ob der Bereich der MHK-Werte mit dem Anteil an Ameisensäure in der Mischung und der Reaktion auf 100%ige Ameisensäure korreliert.
Gomez-Garcia et al. (69) testeten Kombinationen von ätherischen Ölen und organischen Säuren (wie Ameisensäure) gegen verschiedene Isolate von Escherichia coli, Salmonella und Clostridium perfringens, die von Schweinen gewonnen wurden. Sie untersuchten die Wirksamkeit von sechs organischen Säuren, darunter Ameisensäure, und sechs ätherischen Ölen gegen die Schweineisolate, wobei Formaldehyd als Positivkontrolle diente. Gomez-García et al. (69) bestimmten die MHK50, MBK50 und das Verhältnis MHK50/MBK50 von Ameisensäure gegen Escherichia coli (600 und 2400 ppm, 4), Salmonella (600 und 2400 ppm, 4) und Clostridium perfringens (1200 und 2400 ppm, 2). Ameisensäure erwies sich dabei als wirksamer als alle anderen organischen Säuren gegen E. coli und Salmonella. (69) Ameisensäure ist aufgrund ihrer geringen Molekülgröße und langen Kette wirksam gegen Escherichia coli und Salmonella (70).
Beyer et al. untersuchten Campylobacter-Stämme, die von Schweinen isoliert wurden (66), sowie Campylobacter jejuni-Stämme, die von Geflügel isoliert wurden (67), und zeigten, dass Ameisensäure bei Konzentrationen dissoziiert, die mit den für andere organische Säuren gemessenen MHK-Werten übereinstimmen. Die relative Wirksamkeit dieser Säuren, einschließlich der Ameisensäure, wurde jedoch in Frage gestellt, da Campylobacter diese Säuren als Substrate nutzen kann (66, 67). Die Säureverwertung durch C. jejuni ist nicht überraschend, da dieser Stamm einen nicht-glykolytischen Stoffwechsel aufweist. Daher besitzt C. jejuni nur eine begrenzte Kapazität zum Kohlenhydratabbau und ist für den Großteil seines Energiestoffwechsels und seiner biosynthetischen Aktivität auf die Gluconeogenese aus Aminosäuren und organischen Säuren angewiesen (71, 72). Eine frühere Studie von Line et al. (73) verwendeten ein phänotypisches Array mit 190 Kohlenstoffquellen und zeigten, dass C. jejuni 11168(GS) organische Säuren als Kohlenstoffquellen nutzen kann, die größtenteils Zwischenprodukte des Citratzyklus sind. Weitere Untersuchungen von Wagli et al. (74) mit einem phänotypischen Kohlenstoffverwertungs-Array zeigten, dass die in ihrer Studie untersuchten C. jejuni- und E. coli-Stämme auf organischen Säuren als Kohlenstoffquelle wachsen können. Formiat ist der wichtigste Elektronendonator für den respiratorischen Energiestoffwechsel von C. jejuni und somit die wichtigste Energiequelle für diesen Organismus (71, 75). C. jejuni kann Formiat als Wasserstoffdonator über einen membrangebundenen Formiatdehydrogenase-Komplex nutzen, der Formiat zu Kohlendioxid, Protonen und Elektronen oxidiert und als Elektronendonator für die Atmung dient (72).
Ameisensäure wird seit Langem als antimikrobieller Futtermittelzusatz verwendet, doch einige Insekten können sie auch selbst produzieren und als antimikrobielle Abwehrsubstanz einsetzen. Rossini et al. (76) vermuteten, dass Ameisensäure ein Bestandteil des sauren Ameisensafts sein könnte, den Ray (77) vor fast 350 Jahren beschrieben hatte. Seitdem hat sich unser Verständnis der Ameisensäureproduktion bei Ameisen und anderen Insekten erheblich erweitert, und es ist heute bekannt, dass dieser Prozess Teil eines komplexen Toxinabwehrsystems bei Insekten ist (78). Verschiedene Insektengruppen, darunter stachellose Bienen, Spitzameisen (Hymenoptera: Apidae), Laufkäfer (Galerita lecontei und G. janus), stachellose Ameisen (Formicinae) und einige Schmetterlingsraupen (Lepidoptera: Myrmecophaga), produzieren Ameisensäure als Abwehrsubstanz (76, 78–82).
Ameisen sind wohl am besten charakterisiert, da sie Acidocyten besitzen, spezialisierte Öffnungen, durch die sie ein hauptsächlich aus Ameisensäure bestehendes Gift versprühen können (82). Die Ameisen nutzen Serin als Vorstufe und speichern große Mengen Formiat in ihren Giftdrüsen. Diese sind ausreichend isoliert, um die Wirtsameisen vor der Zytotoxizität des Formiats zu schützen, bis es versprüht wird (78, 83). Die von ihnen abgesonderte Ameisensäure kann (1) als Alarmpheromon dienen, um andere Ameisen anzulocken; (2) als Abwehrstoff gegen Konkurrenten und Fressfeinde eingesetzt werden; und (3) in Kombination mit Harz als Bestandteil des Nistmaterials als fungizides und antibakterielles Mittel wirken (78, 82, 84–88). Die von Ameisen produzierte Ameisensäure besitzt antimikrobielle Eigenschaften, was darauf hindeutet, dass sie als topischer Zusatzstoff verwendet werden könnte. Dies wurde von Bruch et al. (88) gezeigt, die synthetische Ameisensäure dem Harz hinzufügten und die fungizide Wirkung deutlich verbesserten. Ein weiterer Beweis für die Wirksamkeit der Ameisensäure und ihren biologischen Nutzen ist, dass Riesenameisenbären, die nicht in der Lage sind, Magensäure zu produzieren, Ameisen fressen, die Ameisensäure enthalten, um sich mit konzentrierter Ameisensäure als alternativer Verdauungssäure zu versorgen (89).
Die praktische Anwendung von Ameisensäure in der Landwirtschaft wird seit vielen Jahren untersucht. Insbesondere kann Ameisensäure als Zusatzstoff in Tierfutter und Silage verwendet werden. Natriumformiat gilt sowohl in fester als auch in flüssiger Form als unbedenklich für alle Tierarten, Verbraucher und die Umwelt (90). Laut dieser Bewertung (90) wurde eine maximale Konzentration von 10.000 mg Ameisensäureäquivalenten/kg Futter für alle Tierarten als unbedenklich eingestuft, während für Schweine eine maximale Konzentration von 12.000 mg Ameisensäureäquivalenten/kg Futter als unbedenklich galt. Die Verwendung von Ameisensäure als Futtermittelverbesserungsmittel wird seit vielen Jahren erforscht. Sie besitzt kommerziellen Wert als Silagekonservierungsmittel und antimikrobielles Mittel in Tier- und Geflügelfutter.
Chemische Zusatzstoffe wie Säuren sind seit jeher fester Bestandteil der Silageproduktion und des Futtermanagements (91, 92). Borreani et al. (91) stellten fest, dass für eine optimale Produktion hochwertiger Silage die Futterqualität erhalten und gleichzeitig möglichst viel Trockenmasse bewahrt werden muss. Das Ergebnis dieser Optimierung ist die Minimierung von Verlusten in allen Phasen des Silierprozesses: von den anfänglichen aeroben Bedingungen im Silo über die anschließende Fermentation und Lagerung bis hin zur Wiederöffnung des Silos zur Fütterung. Spezifische Methoden zur Optimierung der Feldsilageproduktion und der anschließenden Silagefermentation wurden bereits ausführlich an anderer Stelle beschrieben (91, 93–95) und werden hier nicht weiter erläutert. Das Hauptproblem ist der oxidative Verderb durch Hefen und Schimmelpilze in Gegenwart von Sauerstoff in der Silage (91, 92). Daher wurden biologische Impfstoffe und chemische Zusatzstoffe eingeführt, um den negativen Auswirkungen des Verderbs entgegenzuwirken (91, 92). Weitere Überlegungen bei Silierzusätzen umfassen die Begrenzung der Ausbreitung von Krankheitserregern, die in der Silage vorhanden sein können (z. B. pathogene E. coli, Listerien und Salmonellen), sowie von Mykotoxin-produzierenden Pilzen (96–98).
Mack et al. (92) unterteilten saure Zusatzstoffe in zwei Kategorien. Säuren wie Propionsäure, Essigsäure, Sorbinsäure und Benzoesäure erhalten die aerobe Stabilität von Silage bei Wiederkäuern, indem sie das Wachstum von Hefen und Schimmelpilzen hemmen (92). Mack et al. (92) grenzten Ameisensäure von anderen Säuren ab und betrachteten sie als direktes Säuerungsmittel, das Clostridien und Verderbniserreger hemmt und gleichzeitig die Integrität des Silageproteins erhält. In der Praxis werden meist Salze verwendet, um die korrosiven Eigenschaften der Säuren in nicht-salziger Form zu vermeiden (91). Zahlreiche Forschungsgruppen haben Ameisensäure als sauren Zusatzstoff für Silage untersucht. Ameisensäure ist bekannt für ihr schnelles Säuerungspotenzial und ihre hemmende Wirkung auf das Wachstum schädlicher Silagemikroorganismen, die den Protein- und wasserlöslichen Kohlenhydratgehalt der Silage reduzieren (99). Daher verglichen He et al. (92) Ameisensäure mit anderen sauren Zusatzstoffen in Silage. (100) zeigten, dass Ameisensäure Escherichia coli hemmen und den pH-Wert von Silage senken kann. Bakterienkulturen, die Ameisen- und Milchsäure produzieren, wurden ebenfalls Silage zugesetzt, um die Ansäuerung und die Produktion organischer Säuren zu stimulieren (101). Cooley et al. (101) stellten fest, dass die Produktion von Milch- und Ameisensäure 800 bzw. 1000 mg organische Säure pro 100 g Probe überstieg, wenn Silage mit 3 % (w/v) Ameisensäure angesäuert wurde. Mack et al. (92) analysierten die Forschungsliteratur zu Silierzusätzen detailliert, einschließlich Studien, die seit dem Jahr 2000 veröffentlicht wurden und sich mit Ameisensäure und anderen Säuren befassten. Daher werden in dieser Übersichtsarbeit einzelne Studien nicht im Detail besprochen, sondern lediglich einige wichtige Punkte zur Wirksamkeit von Ameisensäure als chemischem Silierzusatz zusammengefasst. Sowohl ungepufferte als auch gepufferte Ameisensäure wurden untersucht, und in den meisten Fällen wurde Clostridium spp. als Wirt verwendet. Die relative Aktivität der Ameisensäure (Aufnahme von Kohlenhydraten, Proteinen und Laktat sowie Ausscheidung von Butyrat) nimmt tendenziell ab, während die Ammoniak- und Butyratproduktion sinkt und die Trockenmasseretention steigt (92). Die Wirksamkeit von Ameisensäure ist begrenzt, doch scheint ihre Verwendung als Silierzusatz in Kombination mit anderen Säuren einige dieser Probleme zu beheben (92).
Ameisensäure kann pathogene Bakterien hemmen, die ein Risiko für die menschliche Gesundheit darstellen. So beimpften Pauly und Tam (102) kleine Laborsilos mit L. monocytogenes, die drei verschiedene Trockenmassegehalte (200, 430 und 540 g/kg) von Weidelgras enthielten, und fügten anschließend Ameisensäure (3 ml/kg) oder Milchsäurebakterien (8 × 10⁵/g) und cellulolytische Enzyme hinzu. Sie berichteten, dass beide Behandlungen L. monocytogenes in der Silage mit niedrigem Trockenmassegehalt (200 g/kg) auf nicht nachweisbare Werte reduzierten. In der Silage mit mittlerem Trockenmassegehalt (430 g/kg) war L. monocytogenes jedoch nach 30 Tagen in der mit Ameisensäure behandelten Silage noch nachweisbar. Die Reduktion von L. monocytogenes schien mit einem niedrigeren pH-Wert, Milchsäure und einem geringeren Anteil an undissoziierten Säuren zusammenzuhängen. Pauly und Tam (102) stellten beispielsweise fest, dass Milchsäure und die Konzentrationen an undissoziierten Säuren besonders wichtig sind. Dies könnte erklären, warum in mit Ameisensäure behandelten Medien aus Silagen mit höherem Trockenmassegehalt keine Reduktion von L. monocytogenes beobachtet wurde. Zukünftig sollten ähnliche Studien für andere häufige Silagepathogene wie Salmonella und pathogene E. coli durchgeführt werden. Eine umfassendere 16S-rDNA-Sequenzanalyse der gesamten mikrobiellen Gemeinschaft der Silage könnte zudem dazu beitragen, Veränderungen in der Gesamtpopulation der Silagemikroben zu identifizieren, die in verschiedenen Stadien der Silagefermentation in Gegenwart von Ameisensäure auftreten (103). Die Gewinnung von Mikrobiomdaten kann analytische Unterstützung bieten, um den Verlauf der Silagefermentation besser vorherzusagen und optimale Zusatzstoffkombinationen zur Erhaltung einer hohen Silagequalität zu entwickeln.
In getreidebasierten Tierfuttermitteln wird Ameisensäure als antimikrobielles Mittel eingesetzt, um die Pathogenbelastung in verschiedenen getreidebasierten Futtermitteln sowie in bestimmten Futterbestandteilen wie tierischen Nebenprodukten zu reduzieren. Die Auswirkungen auf die Pathogenpopulationen bei Geflügel und anderen Tieren lassen sich grob in zwei Kategorien einteilen: direkte Auswirkungen auf die Pathogenpopulation im Futter selbst und indirekte Auswirkungen auf Pathogene, die den Magen-Darm-Trakt der Tiere nach der Aufnahme des behandelten Futters besiedeln (20, 21, 104). Diese beiden Kategorien stehen in engem Zusammenhang, da eine Reduzierung der Pathogene im Futter zu einer geringeren Besiedlung nach der Futteraufnahme führen sollte. Die antimikrobiellen Eigenschaften einer bestimmten Säure, die einem Futtermittel zugesetzt wird, können jedoch von verschiedenen Faktoren beeinflusst werden, wie beispielsweise der Zusammensetzung des Futters und der Darreichungsform der Säure (21, 105).
Historisch gesehen konzentrierte sich die Verwendung von Ameisensäure und verwandten Säuren vor allem auf die direkte Bekämpfung von Salmonellen in Tier- und Geflügelfutter (21). Die Ergebnisse dieser Studien wurden in mehreren, zu unterschiedlichen Zeitpunkten veröffentlichten Übersichtsarbeiten detailliert zusammengefasst (18, 21, 26, 47, 104–106). Daher werden in dieser Übersicht nur einige der wichtigsten Erkenntnisse dieser Studien diskutiert. Mehrere Studien haben gezeigt, dass die antimikrobielle Wirkung von Ameisensäure in Futtermitteln von der Dosis und der Einwirkungsdauer, dem Feuchtigkeitsgehalt des Futtermittels sowie der Bakterienkonzentration im Futter und im Magen-Darm-Trakt des Tieres abhängt (19, 21, 107–109). Auch die Art des Futtermittels und die Herkunft der Futterbestandteile beeinflussen die Wirkung. So haben mehrere Studien gezeigt, dass sich die Konzentrationen bakterieller Toxine von Salmonella in tierischen Nebenprodukten von denen in pflanzlichen Nebenprodukten unterscheiden können (39, 45, 58, 59, 110–112). Unterschiede in der Reaktion auf Säuren wie Ameisensäure können jedoch mit Unterschieden im Überleben der Serovare im Futter und der Verarbeitungstemperatur des Futters zusammenhängen (19, 113, 114). Unterschiede in der Reaktion der Serovare auf Säurebehandlung können auch ein Faktor für die Kontamination von Geflügel mit kontaminiertem Futter sein (113, 115), und Unterschiede in der Expression von Virulenzgenen (116) können ebenfalls eine Rolle spielen. Unterschiede in der Säuretoleranz können wiederum den Nachweis von Salmonella in Kulturmedien beeinträchtigen, wenn die im Futter enthaltenen Säuren nicht ausreichend abgepuffert werden (21, 105, 117–122). Die physikalische Form der Nahrung (im Hinblick auf die Partikelgröße) kann auch die relative Verfügbarkeit von Ameisensäure im Magen-Darm-Trakt beeinflussen (123).
Strategien zur Optimierung der antimikrobiellen Wirkung von Ameisensäure im Futter sind ebenfalls entscheidend. Höhere Säurekonzentrationen wurden für stark kontaminierte Futtermittelkomponenten vor dem Mischen vorgeschlagen, um potenzielle Schäden an den Anlagen der Futtermühle und Probleme mit der Schmackhaftigkeit des Futters zu minimieren (105). Jones (51) kam zu dem Schluss, dass Salmonellen, die vor der chemischen Reinigung im Futter vorhanden sind, schwieriger zu kontrollieren sind als Salmonellen, die nach der chemischen Behandlung mit dem Futter in Kontakt kommen. Die Wärmebehandlung des Futters während der Verarbeitung in der Futtermühle wurde als Maßnahme zur Begrenzung der Salmonellenkontamination vorgeschlagen, hängt jedoch von der Futterzusammensetzung, der Partikelgröße und anderen Faktoren des Mahlprozesses ab (51). Die antimikrobielle Wirkung von Säuren ist auch temperaturabhängig, und erhöhte Temperaturen in Gegenwart organischer Säuren können einen synergistischen Hemmeffekt auf Salmonellen haben, wie in Flüssigkulturen von Salmonellen beobachtet wurde (124, 125). Mehrere Studien zu mit Salmonellen kontaminierten Futtermitteln stützen die Annahme, dass erhöhte Temperaturen die Wirksamkeit von Säuren in der Futtermatrix steigern (106, 113, 126). Amado et al. (127) verwendeten ein zentrales Kompositdesign, um die Wechselwirkung von Temperatur und Säure (Ameisen- oder Milchsäure) bei zehn Stämmen von Salmonella enterica und Escherichia coli zu untersuchen, die aus verschiedenen Rinderfuttermitteln isoliert und in angesäuertes Rinderfutter inokuliert wurden. Sie kamen zu dem Schluss, dass Wärme neben Säure und der Art des Bakterienisolats der dominierende Faktor für die Reduktion der Mikroorganismen war. Der synergistische Effekt mit Säure überwiegt weiterhin, sodass niedrigere Temperaturen und Säurekonzentrationen verwendet werden können. Sie stellten jedoch auch fest, dass synergistische Effekte bei Verwendung von Ameisensäure nicht immer beobachtet wurden, was sie zu der Annahme veranlasste, dass die Verflüchtigung der Ameisensäure bei höheren Temperaturen oder Pufferwirkungen von Futtermatrixbestandteilen eine Rolle spielten.
Die Begrenzung der Haltbarkeit von Futtermitteln vor der Verfütterung ist eine Möglichkeit, die Aufnahme von lebensmittelbedingten Krankheitserregern in den Tierkörper während der Fütterung zu kontrollieren. Sobald die Säure im Futter jedoch in den Magen-Darm-Trakt gelangt ist, kann sie ihre antimikrobielle Wirkung fortsetzen. Die antimikrobielle Wirkung exogen zugeführter saurer Substanzen im Magen-Darm-Trakt kann von verschiedenen Faktoren abhängen, darunter die Magensäurekonzentration, der aktive Ort im Magen-Darm-Trakt, der pH-Wert und der Sauerstoffgehalt des Magen-Darm-Trakts, das Alter des Tieres und die relative Zusammensetzung der Darmflora (die vom Ort im Magen-Darm-Trakt und dem Reifegrad des Tieres abhängt) (21, 24, 128–132). Darüber hinaus produziert die ansässige Population anaerober Mikroorganismen im Magen-Darm-Trakt (die im unteren Verdauungstrakt von Tieren mit einem einhöhligen Magen mit zunehmendem Alter dominant wird) aktiv organische Säuren durch Fermentation, die wiederum eine antagonistische Wirkung auf vorübergehend in den Magen-Darm-Trakt eindringende Krankheitserreger haben können (17, 19–21).
Ein Großteil der frühen Forschung konzentrierte sich auf den Einsatz organischer Säuren, darunter Formiat, zur Begrenzung von Salmonellen im Magen-Darm-Trakt von Geflügel, was in mehreren Übersichtsartikeln ausführlich diskutiert wurde (12, 20, 21). Betrachtet man diese Studien zusammen, lassen sich einige wichtige Beobachtungen festhalten. McHan und Shotts (133) berichteten, dass die Fütterung von Ameisen- und Propionsäure die Konzentration von Salmonella Typhimurium im Blinddarm von mit den Bakterien infizierten Hühnern reduzierte und diese im Alter von 7, 14 und 21 Tagen quantifizierte. Hume et al. (128) hingegen kamen bei der Untersuchung von C-14-markiertem Propionat zu dem Schluss, dass nur sehr wenig Propionat aus dem Futter den Blinddarm erreicht. Ob dies auch für Ameisensäure gilt, ist noch unklar. Kürzlich berichteten Bourassa et al. (134) berichteten, dass die Fütterung von Ameisen- und Propionsäure die Konzentration von Salmonella Typhimurium im Blinddarm von mit den Bakterien infizierten Hühnern reduzierte. Die Quantifizierung erfolgte am 7., 14. und 21. Lebenstag. (132) stellten fest, dass die Fütterung von Broilerhühnern mit 4 g/t Ameisensäure während der sechswöchigen Wachstumsperiode die Konzentration von S. Typhimurium im Blinddarm unter die Nachweisgrenze senkte.
Die Anwesenheit von Ameisensäure im Futter kann Auswirkungen auf andere Abschnitte des Magen-Darm-Trakts von Geflügel haben. Al-Tarazi und Alshavabkeh (134) zeigten, dass eine Mischung aus Ameisensäure und Propionsäure die Kontamination mit Salmonella pullorum (S. PRlorum) in Kropf und Blinddarm reduzieren kann. Thompson und Hinton (129) beobachteten, dass eine handelsübliche Mischung aus Ameisensäure und Propionsäure die Konzentration beider Säuren in Kropf und Muskelmagen erhöhte und in einem In-vitro-Modell unter praxisnahen Haltungsbedingungen bakterizid gegen Salmonella Enteritidis PT4 wirkte. Diese Annahme wird durch In-vivo-Daten von Bird et al. (135) gestützt, die Broilerhühnern während einer simulierten Fastenperiode vor dem Transport Ameisensäure ins Trinkwasser gaben – ähnlich der Fastenperiode, der Broilerhühner vor dem Transport zu einem Geflügelverarbeitungsbetrieb unterzogen werden. Die Zugabe von Ameisensäure zum Trinkwasser führte zu einer Reduktion der Anzahl von S. Typhimurium in Kropf und Nebenhoden sowie zu einer geringeren Häufigkeit von S. Typhimurium-positiven Kropfproben, jedoch nicht zu einer geringeren Anzahl positiver Nebenhodenproben (135). Die Entwicklung von Verabreichungssystemen, die organische Säuren während ihrer Aktivität im unteren Gastrointestinaltrakt schützen, könnte die Wirksamkeit verbessern. So konnte beispielsweise gezeigt werden, dass die Mikroverkapselung von Ameisensäure und deren Zugabe zum Futter die Anzahl von Salmonella Enteritidis im Blinddarminhalt reduziert (136). Dies kann jedoch je nach Tierart variieren. Walia et al. (137) beobachteten beispielsweise keine Reduktion von Salmonella im Blinddarm oder in den Lymphknoten von 28 Tage alten Ferkeln, die mit einer Mischung aus Ameisensäure, Zitronensäure und ätherischen Ölkapseln gefüttert wurden. Obwohl die Salmonella-Ausscheidung im Kot am 14. Tag reduziert war, war sie am 28. Tag nicht mehr verringert. Sie zeigten, dass die horizontale Übertragung von Salmonella zwischen Schweinen verhindert wurde.
Obwohl sich Studien zur antimikrobiellen Wirkung von Ameisensäure in der Tierhaltung hauptsächlich auf lebensmittelbedingte Salmonellen konzentrierten, gibt es auch einige Untersuchungen zu anderen gastrointestinalen Krankheitserregern. In-vitro-Studien von Kovanda et al. (68) deuten darauf hin, dass Ameisensäure auch gegen andere gastrointestinale, lebensmittelbedingte Krankheitserreger, darunter Escherichia coli und Campylobacter jejuni, wirksam sein könnte. Frühere Studien haben gezeigt, dass organische Säuren (z. B. Milchsäure) und kommerzielle Mischungen mit Ameisensäure als Bestandteil die Campylobacter-Konzentration in Geflügel reduzieren können (135, 138). Wie Beyer et al. (67) jedoch bereits feststellten, ist bei der Anwendung von Ameisensäure als antimikrobielles Mittel gegen Campylobacter Vorsicht geboten. Dieser Befund ist insbesondere für die Futterergänzung bei Geflügel problematisch, da Ameisensäure die primäre Energiequelle für die Atmung von C. jejuni darstellt. Des Weiteren wird angenommen, dass ein Teil der gastrointestinalen Nische von C. jejuni auf metabolische Kreuzfütterung mit gemischten Säurefermentationsprodukten gastrointestinaler Bakterien, wie beispielsweise Formiat, zurückzuführen ist (139). Diese Ansicht ist teilweise begründet. Da Formiat ein Chemoattraktant für C. jejuni ist, weisen Doppelmutanten mit Defekten sowohl in der Formiatdehydrogenase als auch in der Hydrogenase im Vergleich zu Wildtyp-Stämmen von C. jejuni eine reduzierte Blinddarmkolonisationsrate bei Broilerhühnern auf (140, 141). Es ist noch unklar, inwieweit eine externe Ameisensäuresupplementierung die Kolonisation des Magen-Darm-Trakts durch C. jejuni bei Hühnern beeinflusst. Die tatsächlichen Formiatkonzentrationen im Magen-Darm-Trakt können aufgrund des Formiatabbaus durch andere gastrointestinale Bakterien oder der Formiatabsorption im oberen Magen-Darm-Trakt niedriger sein, sodass mehrere Faktoren Einfluss darauf haben können. Darüber hinaus ist Formiat ein potenzielles Fermentationsprodukt einiger gastrointestinaler Bakterien, was die Gesamtformiatkonzentration im Magen-Darm-Trakt beeinflussen kann. Die Quantifizierung von Formiat im Magen-Darm-Inhalt und die Identifizierung von Formiatdehydrogenase-Genen mittels Metagenomik könnten Aufschluss über einige Aspekte der Ökologie von Formiat-produzierenden Mikroorganismen geben.
Roth et al. (142) verglichen die Auswirkungen der Fütterung von Broilerhühnern mit dem Antibiotikum Enrofloxacin bzw. einer Mischung aus Ameisen-, Essig- und Propionsäure auf die Prävalenz antibiotikaresistenter Escherichia coli. Die Gesamtkeimzahl und die Anzahl antibiotikaresistenter E. coli-Isolate wurden in gepoolten Kotproben von eintägigen Broilerhühnern sowie in Blinddarminhaltsproben von 14 und 38 Tage alten Broilerhühnern bestimmt. Die E. coli-Isolate wurden auf Resistenzen gegen Ampicillin, Cefotaxim, Ciprofloxacin, Streptomycin, Sulfamethoxazol und Tetracyclin gemäß zuvor ermittelten Grenzwerten für jedes Antibiotikum getestet. Die Quantifizierung und Charakterisierung der jeweiligen E. coli-Populationen ergab, dass weder Enrofloxacin noch die Säuremischung die Gesamtzahl der aus dem Blinddarm von 17 und 28 Tage alten Broilerhühnern isolierten E. coli veränderten. Bei Vögeln, die mit Enrofloxacin angereichertes Futter erhielten, fanden sich erhöhte Konzentrationen von Ciprofloxacin-, Streptomycin-, Sulfamethoxazol- und Tetracyclin-resistenten E. coli sowie verringerte Konzentrationen von Cefotaxim-resistenten E. coli im Blinddarm. Vögel, die mit dem Säurecocktail gefüttert wurden, wiesen im Vergleich zu Kontrolltieren und mit Enrofloxacin angereicherten Vögeln eine geringere Anzahl von Ampicillin- und Tetracyclin-resistenten E. coli im Blinddarm auf. Auch bei Vögeln, die mit der Säuremischung gefüttert wurden, war die Anzahl von Ciprofloxacin- und Sulfamethoxazol-resistenten E. coli im Blinddarm im Vergleich zu mit Enrofloxacin gefütterten Vögeln reduziert. Der Mechanismus, durch den Säuren die Anzahl antibiotikaresistenter E. coli verringern, ohne die Gesamtkeimzahl von E. coli zu reduzieren, ist noch unklar. Die Ergebnisse der Studie von Roth et al. stimmen jedoch mit denen der Enrofloxacin-Gruppe überein. (142) Dies könnte auf eine verringerte Verbreitung von Antibiotikaresistenzgenen in E. coli hindeuten, wie beispielsweise den von Cabezon et al. (143) beschriebenen plasmidgebundenen Inhibitoren. Es wäre interessant, die plasmidvermittelte Antibiotikaresistenz in der Darmflora von Geflügel in Gegenwart von Futterzusatzstoffen wie Ameisensäure genauer zu untersuchen und diese Analyse durch die Bestimmung des gastrointestinalen Resistoms weiter zu verfeinern.
Die Entwicklung optimaler antimikrobieller Futterzusätze gegen Krankheitserreger sollte idealerweise möglichst geringe Auswirkungen auf die gesamte Darmflora haben, insbesondere auf jene Mikroorganismen, die als nützlich für den Wirt gelten. Exogen zugeführte organische Säuren können jedoch schädliche Auswirkungen auf die residente Darmflora haben und deren Schutzfunktion gegen Krankheitserreger teilweise aufheben. So beobachteten Thompson und Hinton (129) beispielsweise verringerte Milchsäurewerte im Kropf von Legehennen, die mit einer Mischung aus Ameisen- und Propionsäure gefüttert wurden. Dies deutet darauf hin, dass die Anwesenheit dieser exogenen organischen Säuren im Kropf zu einer Reduktion der Laktobazillen führte. Da Laktobazillen im Kropf als Barriere gegen Salmonellen gelten, kann eine Störung dieser residenten Kropfflora die erfolgreiche Reduktion der Salmonellenbesiedlung des Magen-Darm-Trakts beeinträchtigen (144). Açıkgöz et al. stellten fest, dass die Auswirkungen auf den unteren Magen-Darm-Trakt bei Vögeln geringer ausfallen können. (145) Bei 42 Tage alten Broilerhühnern, die mit Ameisensäure angesäuertes Wasser tranken, wurden keine Unterschiede in der Gesamtflora des Darms oder der Anzahl von Escherichia coli festgestellt. Die Autoren vermuteten, dass dies auf die Metabolisierung von Formiat im oberen Gastrointestinaltrakt zurückzuführen sein könnte, wie es auch von anderen Forschern bei exogen verabreichten kurzkettigen Fettsäuren (SCFA) beobachtet wurde (128, 129).
Die Verkapselung von Ameisensäure könnte deren Aufnahme in den unteren Gastrointestinaltrakt verbessern. (146) stellten fest, dass mikroverkapselte Ameisensäure den Gesamtgehalt an kurzkettigen Fettsäuren (SCFA) im Blinddarm von Schweinen im Vergleich zu Schweinen, die ungeschützte Ameisensäure erhielten, signifikant erhöhte. Die Autoren schlussfolgerten daraus, dass Ameisensäure den unteren Gastrointestinaltrakt effektiv erreichen kann, wenn sie entsprechend geschützt ist. Allerdings unterschieden sich verschiedene andere Parameter, wie die Formiat- und Laktatkonzentrationen, zwar nicht signifikant von denen der Kontrollgruppe, sondern nur von denen der Gruppe mit ungeschützter Formiat-Diät. Obwohl die Laktatkonzentration bei Schweinen, die sowohl ungeschützte als auch geschützte Ameisensäure erhielten, fast um das Dreifache anstieg, blieb die Anzahl der Laktobazillen durch beide Behandlungen unverändert. Die Unterschiede könnten bei anderen Milchsäure produzierenden Mikroorganismen im Blinddarm (1) die mit diesen Methoden nicht erfasst werden und/oder (2) deren Stoffwechselaktivität beeinträchtigt ist, wodurch sich das Fermentationsmuster so verändert, dass die ansässigen Laktobazillen mehr Milchsäure produzieren, deutlicher ausgeprägt sein.
Um die Auswirkungen von Futterzusatzstoffen auf den Magen-Darm-Trakt von Nutztieren genauer zu untersuchen, sind hochauflösende Methoden zur mikrobiellen Identifizierung erforderlich. In den letzten Jahren wurde die Next-Generation-Sequenzierung (NGS) des 16S-rRNA-Gens eingesetzt, um Mikrobiom-Taxa zu identifizieren und die Diversität mikrobieller Gemeinschaften zu vergleichen (147). Dies hat zu einem besseren Verständnis der Wechselwirkungen zwischen Futterzusatzstoffen und der Magen-Darm-Mikrobiota von Nutztieren wie Geflügel beigetragen.
Mehrere Studien nutzten die Mikrobiomsequenzierung, um die Reaktion des gastrointestinalen Mikrobioms von Hühnern auf eine Formiat-Supplementierung zu untersuchen. Oakley et al. (148) führten eine Studie mit 42 Tage alten Broilerhühnern durch, deren Trinkwasser oder Futter mit verschiedenen Kombinationen aus Ameisensäure, Propionsäure und mittelkettigen Fettsäuren angereichert war. Die immunisierten Hühner wurden mit einem Nalidixinsäure-resistenten Salmonella-typhimurium-Stamm infiziert, und ihre Blinddärme wurden am 0., 7., 21. und 42. Lebenstag entnommen. Die Blinddarmproben wurden für die 454-Pyrosequenzierung aufbereitet, und die Sequenzierungsergebnisse wurden hinsichtlich Klassifizierung und Ähnlichkeitsvergleich ausgewertet. Insgesamt hatten die Behandlungen keinen signifikanten Einfluss auf das Blinddarm-Mikrobiom oder die S.-Typhimurium-Konzentrationen. Die Nachweisraten von Salmonella sanken jedoch mit zunehmendem Alter der Tiere, was durch eine taxonomische Analyse des Mikrobioms bestätigt wurde. Auch die relative Häufigkeit von Salmonella-Sequenzen nahm im Laufe der Zeit ab. Die Autoren stellten fest, dass mit zunehmendem Alter der Broiler die Diversität der Blinddarm-Mikrobenpopulation anstieg, wobei die signifikantesten Veränderungen der Darmflora in allen Behandlungsgruppen beobachtet wurden. In einer kürzlich erschienenen Studie verglichen Hu et al. (149) die Auswirkungen von Trinkwasser und einer mit einer Mischung organischer Säuren (Ameisensäure, Essigsäure, Propionsäure und Ammoniumformiat) sowie Virginiamycin angereicherten Diät auf Blinddarm-Mikrobiomproben von Broilerhühnern, die in zwei Altersstadien (1–21 Tage und 22–42 Tage) entnommen wurden. Obwohl am 21. Lebenstag einige Unterschiede in der Diversität des Blinddarm-Mikrobioms zwischen den Behandlungsgruppen beobachtet wurden, konnten am 42. Lebenstag keine Unterschiede in der Diversität der α- oder β-Bakterien festgestellt werden. Angesichts der fehlenden Unterschiede am 42. Lebenstag vermuteten die Autoren, dass der Wachstumsvorteil auf die frühere Etablierung eines optimal diversen Mikrobioms zurückzuführen sein könnte.
Eine Mikrobiomanalyse, die sich ausschließlich auf die mikrobielle Gemeinschaft im Blinddarm konzentriert, spiegelt möglicherweise nicht wider, wo im Magen-Darm-Trakt die meisten Auswirkungen von organischen Säuren aus der Nahrung auftreten. Das Mikrobiom des oberen Magen-Darm-Trakts von Broilerhühnern könnte, wie die Ergebnisse von Hume et al. (128) nahelegen, anfälliger für die Effekte organischer Säuren in der Nahrung sein. Hume et al. (128) zeigten, dass der größte Teil des exogen zugeführten Propionats im oberen Magen-Darm-Trakt der Vögel resorbiert wurde. Neuere Studien zur Charakterisierung gastrointestinaler Mikroorganismen stützen diese Ansicht. Nava et al. (150) wiesen nach, dass eine Kombination aus organischen Säuren [DL-2-Hydroxy-4-(methylthio)buttersäure], Ameisensäure und Propionsäure (HFP) die Darmmikrobiota beeinflusste und die Besiedlung mit Laktobazillen im Ileum von Hühnern erhöhte. Kürzlich berichteten Goodarzi Borojeni et al. (150) zeigten, dass eine Kombination aus einer organischen Säuremischung [DL-2-Hydroxy-4-(methylthio)buttersäure], Ameisensäure und Propionsäure (HFP) die Darmmikrobiota beeinflusste und die Besiedlung des Ileums von Hühnern mit Laktobazillen erhöhte. (151) untersuchten die Wirkung einer 35-tägigen Fütterung von Broilerhühnern mit einer Mischung aus Ameisensäure und Propionsäure in zwei Konzentrationen (0,75 % und 1,50 %). Am Ende des Versuchs wurden Kropf, Magen, die distalen zwei Drittel des Ileums und das Zäkum entnommen und Proben für die quantitative Analyse spezifischer Darmflora und Metaboliten mittels RT-PCR gewonnen. In der Kultur beeinflusste die Konzentration der organischen Säuren die Häufigkeit von Laktobazillen und Bifidobakterien nicht, erhöhte jedoch die Population von Clostridium. Im Ileum zeigte sich lediglich eine Abnahme von Laktobazillen und Enterobacter, während die Flora im Zäkum unverändert blieb (151). Bei der höchsten Konzentration an organischen Säuren war die Gesamtkonzentration an Milchsäure (D und L) im Kropf reduziert, die Konzentration beider organischer Säuren im Muskelmagen verringert und die Konzentration organischer Säuren im Blinddarm niedriger. Im Ileum wurden keine Veränderungen festgestellt. Bezüglich der kurzkettigen Fettsäuren (SCFAs) zeigte sich bei den mit organischen Säuren gefütterten Vögeln die einzige Veränderung im Propionatspiegel in Kropf und Muskelmagen. Vögel, die die niedrigere Konzentration an organischen Säuren erhielten, wiesen einen fast zehnfachen Anstieg des Propionatspiegels im Kropf auf, während Vögel, die die beiden Konzentrationen erhielten, einen acht- bzw. fünfzehnfachen Anstieg im Muskelmagen zeigten. Der Anstieg des Acetatspiegels im Ileum betrug weniger als das Zweifache. Insgesamt stützen diese Daten die Annahme, dass sich die meisten Auswirkungen der externen Anwendung organischer Säuren auf die Milchleistung zeigten, während organische Säuren nur minimale Auswirkungen auf die mikrobielle Gemeinschaft des unteren Gastrointestinaltrakts hatten. Dies lässt vermuten, dass die Fermentationsmuster der residenten Flora des oberen Gastrointestinaltrakts verändert worden sein könnten.
Offensichtlich ist eine detailliertere Charakterisierung des Mikrobioms erforderlich, um die mikrobiellen Reaktionen auf Formiat im gesamten Magen-Darm-Trakt vollständig aufzuklären. Eine eingehendere Analyse der mikrobiellen Taxonomie spezifischer Magen-Darm-Abschnitte, insbesondere oberer Abschnitte wie des Kropfs, könnte weitere Einblicke in die Selektion bestimmter Mikroorganismengruppen liefern. Deren metabolische und enzymatische Aktivitäten könnten zudem bestimmen, ob sie eine antagonistische Beziehung zu in den Magen-Darm-Trakt eindringenden Pathogenen aufweisen. Interessant wären außerdem metagenomische Analysen, um festzustellen, ob die Exposition gegenüber sauren chemischen Zusätzen während des Lebens von Vögeln die Selektion säuretoleranterer Bakterien begünstigt und ob das Vorhandensein und/oder die metabolische Aktivität dieser Bakterien eine zusätzliche Barriere gegen die Pathogenbesiedlung darstellt.
Ameisensäure wird seit vielen Jahren als chemischer Zusatzstoff in Tierfutter und als Silage-Säuremittel eingesetzt. Eine ihrer Hauptanwendungen ist ihre antimikrobielle Wirkung, die die Anzahl von Krankheitserregern im Futter und deren anschließende Besiedlung im Magen-Darm-Trakt von Vögeln begrenzt. In-vitro-Studien haben gezeigt, dass Ameisensäure ein relativ wirksames antimikrobielles Mittel gegen Salmonellen und andere Krankheitserreger ist. Die Verwendung von Ameisensäure in Futtermitteln kann jedoch durch den hohen Gehalt an organischer Substanz in den Futterbestandteilen und deren potenzielle Pufferkapazität eingeschränkt sein. Ameisensäure scheint eine antagonistische Wirkung auf Salmonellen und andere Krankheitserreger zu haben, wenn sie über Futter oder Trinkwasser aufgenommen wird. Dieser Antagonismus tritt jedoch primär im oberen Magen-Darm-Trakt auf, da die Ameisensäurekonzentrationen im unteren Magen-Darm-Trakt – ähnlich wie bei Propionsäure – reduziert sein können. Das Konzept der Verkapselung von Ameisensäure bietet einen möglichen Ansatz, um mehr Säure in den unteren Magen-Darm-Trakt zu transportieren. Studien haben zudem gezeigt, dass eine Mischung organischer Säuren die Leistung von Geflügel effektiver verbessert als die Verabreichung einer einzelnen Säure (152). Campylobacter im Magen-Darm-Trakt reagiert möglicherweise anders auf Formiat, da es Formiat als Elektronendonator nutzen kann und es seine Hauptenergiequelle darstellt. Es ist unklar, ob eine Erhöhung der Formiatkonzentration im Magen-Darm-Trakt für Campylobacter von Vorteil wäre, und dies hängt möglicherweise von der Verfügbarkeit anderer Darmbakterien ab, die Formiat ebenfalls als Substrat nutzen können.
Weitere Studien sind erforderlich, um die Auswirkungen von Ameisensäure auf nicht-pathogene, residente Darmmikroben zu untersuchen. Wir bevorzugen es, Pathogene gezielt zu bekämpfen, ohne die für den Wirt nützlichen Mitglieder des Darmmikrobioms zu beeinträchtigen. Dies erfordert jedoch eine detailliertere Analyse der Mikrobiomsequenz dieser residenten Darmmikrobengemeinschaften. Obwohl bereits einige Studien zum Blinddarmmikrobiom von mit Ameisensäure behandelten Vögeln veröffentlicht wurden, bedarf die Mikrobiomgemeinschaft des oberen Gastrointestinaltrakts weiterer Untersuchungen. Die Identifizierung von Mikroorganismen und der Vergleich von Ähnlichkeiten zwischen Darmmikrobengemeinschaften mit und ohne Ameisensäure reichen möglicherweise nicht aus. Zusätzliche Analysen, einschließlich Metabolomik und Metagenomik, sind notwendig, um funktionelle Unterschiede zwischen Gruppen mit ähnlicher Zusammensetzung zu charakterisieren. Diese Charakterisierung ist entscheidend, um den Zusammenhang zwischen der Darmmikrobiomgemeinschaft und der Leistungsreaktion der Vögel auf Ameisensäure-basierte Leistungssteigerer zu ermitteln. Die Kombination mehrerer Ansätze zur genaueren Charakterisierung der gastrointestinalen Funktion sollte die Entwicklung effektiverer Strategien zur Supplementierung mit organischen Säuren ermöglichen und letztendlich die Vorhersagen über optimale Gesundheit und Leistung von Vögeln verbessern und gleichzeitig die Risiken für die Lebensmittelsicherheit begrenzen.
SR verfasste diese Übersichtsarbeit mit Unterstützung von DD und KR. Alle Autoren leisteten wesentliche Beiträge zu der in dieser Übersichtsarbeit präsentierten Arbeit.
Die Autoren erklären, dass diese Übersichtsarbeit von der Anitox Corporation finanziert wurde, um die Erstellung und Veröffentlichung zu ermöglichen. Die Geldgeber hatten keinen Einfluss auf die in diesem Übersichtsartikel geäußerten Ansichten und Schlussfolgerungen oder auf die Entscheidung zur Veröffentlichung.
Die übrigen Autoren erklären, dass die Forschung ohne jegliche kommerzielle oder finanzielle Beziehungen durchgeführt wurde, die als potenzieller Interessenkonflikt ausgelegt werden könnten.
Dr. DD möchte der Graduiertenschule der Universität Arkansas für die Unterstützung im Rahmen eines Stipendiums für herausragende Lehre sowie dem Zell- und Molekularbiologieprogramm und dem Fachbereich Lebensmittelwissenschaften der Universität Arkansas für die fortlaufende Unterstützung danken. Darüber hinaus danken die Autoren Anitox für die anfängliche Unterstützung beim Verfassen dieses Übersichtsartikels.
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