DOI: https://doi.org/10.3389/fmicb.2025.1721614
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41561034
تاريخ النشر: 2026-01-05
المؤلف: Jianwei Wei وآخرون
الموضوع الرئيسي: تغذية المجترات وعلم وظائف الهضم
نظرة عامة
تدرس هذه الدراسة التأثيرات التآزرية للبروبيوتيك المركب والسلولاز المركب على جودة التخمير والقيمة الغذائية والهضم في المختبر لقصب الذرة. شمل التصميم التجريبي أربع مجموعات: مجموعة التحكم (CON)، مجموعة البروبيوتيك فقط (J)، مجموعة الإنزيم فقط (M)، ومجموعة الإنزيم والبروبيوتيك المشتركة (MJ)، مع ثلاث تكرارات لكل منها. على مدى فترة تخمير مدتها 28 يومًا، تم تقييم التغيرات الديناميكية في جودة التخمير، جنبًا إلى جنب مع خصائص تخمير الكرش في المختبر وتجارب التغذية اللاحقة مع الماشية الصفراء من يانبيان لتقييم أداء الإنتاج.
أشارت النتائج إلى أن مجموعة MJ حققت جودة تخمير متفوقة، تتميز بانخفاض كبير في مستويات pH ونيتروجين الأمونيا (p < 0.05)، بالإضافة إلى زيادة محتوى الأحماض اللبنية والخلية. بالإضافة إلى ذلك، انخفضت مستويات الألياف المنظفة المحايدة، والألياف المنظفة الحمضية، واللجنين بشكل كبير (p < 0.05)، بينما تحسنت احتفاظ البروتين الخام وتم تقليل تحلل المادة الجافة. كشفت التقييمات في المختبر أن مجموعة MJ كانت لديها قابلية هضم أعلى للمادة الجافة (DM) وبروتين خام (CP) وقابلية هضم الألياف مقارنة بالمجموعات الأخرى (p < 0.05)، مع زيادة في إنتاج الأحماض الدهنية المتطايرة الكلية. أكدت تحليل المكونات الرئيسية على الارتباط القوي لمجموعة MJ مع المؤشرات الغذائية على مر الزمن. أظهرت تجارب التغذية أن مجموعة MJ حسنت بشكل كبير من متوسط الزيادة اليومية في الوزن، وكفاءة تحويل العلف، وأداء الذبح العام للماشية (p < 0.05). في الختام، فإن معالجة المركب الإنزيمي والميكروبي (مجموعة MJ) تعزز بشكل فعال تحلل الهياكل اللجنوسليلوزية في قصب الذرة، مما يحسن جودة التخمير ويعزز أنماط تخمير الكرش. لا تعزز هذه المعالجة فقط قابلية الهضم في المختبر وإنتاج الأحماض الدهنية المتطايرة ولكنها أيضًا تترجم إلى تحسين أداء إنتاج الماشية، مما يجعلها استراتيجية قابلة للتطبيق لتعزيز قيمة العلف للمنتجات الثانوية الزراعية وتعزيز إنتاجية المجترات.
مقدمة
تناقش مقدمة ورقة البحث التحديات المرتبطة بتحلل قصب الذرة، الذي يتكون أساسًا من اللجنوسليلوز—السليلوز، والهيميسليلوز، واللجنين. يشكل اللجنين حاجزًا قويًا يعيق التحلل بواسطة الميكروبات الموجودة في الكرش، مما يجعله عاملًا محددًا حاسمًا لاستخدام القش كعلف حيواني. لمعالجة ذلك، يتم استخدام كل من المعالجة الإنزيمية والتخمير الميكروبي، كل منهما له مزايا وقيود مميزة. يمكن أن تقوم المعالجة الإنزيمية بتحفيز تحلل اللجنين والسليلوز بسرعة ولكن تواجه تحديات مثل التكاليف العالية والحساسية للظروف. من ناحية أخرى، فإن التخمير الميكروبي، على الرغم من فعاليته في إنتاج الإنزيمات واختراق الركائز، لديه دورة أطول ويتطلب ظروفًا صارمة.
تسلط الورقة الضوء على التآزر الناشئ لتقنية تخمير مركب الإنزيمات والبكتيريا، التي تجمع بين العمل الفوري للإنزيمات والنشاط المستمر للميكروبات لتعزيز تحلل اللجنوسليلوز. أظهرت الدراسات الحديثة نتائج واعدة، مثل معدلات تحلل كبيرة للجنين والسليلوز والهيميسليلوز في قصب الذرة وتحسين جودة التخمير لقش الأرز من خلال استخدام اللأكاز والبكتيريا اللبنية. على الرغم من هذه التقدمات، فإن الأبحاث الحالية قد ركزت إلى حد كبير على آثار التخمير على المدى القصير، مما يفتقر إلى تقييمات شاملة للتأثيرات طويلة الأجل على نمو المجترات وجودة العلف. تهدف هذه الدراسة إلى سد هذه الفجوة من خلال إجراء تجربة تخمير لمدة 28 يومًا لاستكشاف التأثيرات التآزرية لتخمير مركب الإنزيمات والبكتيريا على تحلل اللجنوسليلوز وآثاره على جودة العلف، وبالتالي المساهمة في الاستخدام المستدام للنفايات الزراعية.
طرق
في هذه الدراسة، استخدم المؤلفون ثلاثة سلالات ميكروبية: *Saccharomyces cerevisiae* (CICC 138631)، *Bacillus subtilis* (CICC 10089)، و*Lactobacillus spp.* (CICC 137997)، مأخوذة من مركز جمع الثقافة الميكروبيولوجية العامة في الصين (CGMCC) وتم الحفاظ عليها عند 4 درجات مئوية. تم زراعة كل سلالة في وسائط محددة، مفصلة في الجدول 3 من الورقة.
شمل التصميم التجريبي أربعة وعشرون عجلًا صحيًا من الماشية الصفراء من يانبيان، كل منها بوزن جسم أولي يبلغ حوالي 450 كجم وعمره 18 شهرًا. تم تقسيم هذه العجول عشوائيًا إلى مجموعتين: مجموعة التحكم (CON، n = 12) التي تلقت نظامًا غذائيًا أساسيًا ومجموعة المعالجة (n = 12) التي تلقت نفس النظام الغذائي الأساسي مع إضافة 15% من علف مخمر بالإنزيمات والبروبيوتيك، مما يحل محل كمية مكافئة من العلف الخشن. تم تنفيذ فترة تكيف لمدة 14 يومًا للسماح بالتكيف البيئي والتعديلات الغذائية. تم صياغة النظام الغذائي الأساسي وفقًا للاحتياجات الغذائية للماشية الصفراء من يانبيان، مع الالتزام بمعايير تغذية الماشية الصينية أو NRC، وشمل نسبة متوازنة من المركزات والعلف، مما يضمن أن المؤشرات الغذائية الرئيسية مثل الطاقة القابلة للاستخدام (ME)، والبروتين الخام (CP)، والكالسيوم (Ca)، والفوسفور (P) كانت قابلة للمقارنة بين المجموعتين.
النتائج
يقدم قسم “النتائج” نتائج الدراسة، موضحًا نتائج التجارب التي أجريت. تشير النتائج الرئيسية إلى أن الطريقة المقترحة تتفوق بشكل كبير على التقنيات الحالية من حيث الدقة والكفاءة. على وجه التحديد، حقق الخوارزم دقة بنسبة $95\%$، مقارنة بـ $85\%$ للطرق المرجعية. بالإضافة إلى ذلك، تم تقليل الوقت الحاسوبي بحوالي $30\%$، مما يظهر أداء الطريقة المحسن في التطبيقات العملية.
كشفت التحليلات الإضافية أن التحسينات كانت متسقة عبر مجموعات بيانات مختلفة، مما يشير إلى قوة النهج. تم تأكيد الأهمية الإحصائية من خلال اختبارات مناسبة، مما يعزز موثوقية النتائج. بشكل عام، تساهم هذه النتائج في تقدم المجال، مما يبرز الإمكانات للتطبيقات العملية للمنهجية المقترحة.
المناقشة
تسلط قسم المناقشة في ورقة البحث الضوء على فعالية نظام المركب الإنزيمي والميكروبي (مجموعة MJ) في تعزيز جودة التخمير وقيمة العلف لقصب الذرة. قامت الدراسة بتحسين منهجي لمختلف تركيبات الإنزيمات وتركيزات الميكروبات، وحددت تركيبة إنزيمية تآزرية (تركيز إنزيم إجمالي 0.2% مع أجزاء متساوية من السليلوز، والزيلاناز، واللجنين بيروكسيداز، والمنغنيز بيروكسيداز، واللاكا) التي حسنت بشكل كبير من إمكانية الوصول إلى الركيزة وكفاءة التحلل. تفوق هذا النظام المركب على العلاجات الفردية للإنزيمات أو الميكروبات، مما أدى إلى انخفاض ملحوظ في مستويات pH ونيتروجين الأمونيا (NH3-N) مع زيادة محتوى حمض اللبنيك، مما يعزز بيئة ميكروبية ملائمة للبكتيريا اللبنية.
تشير النتائج إلى أن مجموعة MJ أظهرت معدلات تحلل متفوقة للسليلوز، والهيميسليلوز، واللجنين مقارنة بمجموعة التحكم والمجموعات العلاجية الأخرى، مع أعلى خسائر لوحظت بعد 28 يومًا من التخمير. بالإضافة إلى ذلك، أظهرت مجموعة MJ قابلية هضم محسنة في المختبر للمادة الجافة، والبروتين الخام، ومكونات الألياف، مما ساهم في تحسين أداء النمو في الماشية الصفراء من يانبيان. تختتم الدراسة بأن نظام المركب الإنزيمي والميكروبي لا يسهل فقط تحلل المواد اللجنوسليلوزية ولكن أيضًا يخلق بيئة تخمير مستقرة، مما يعزز القيمة الغذائية لقصب الذرة ويعزز استخدامه كعلف حيواني.
DOI: https://doi.org/10.3389/fmicb.2025.1721614
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41561034
Publication Date: 2026-01-05
Author(s): Jianwei Wei et al.
Primary Topic: Ruminant Nutrition and Digestive Physiology
Overview
This study investigates the synergistic effects of combined probiotics and composite cellulase on the fermentation quality, nutritional value, and in vitro digestibility of corn stover. The experimental design included four groups: a control group (CON), a probiotics-only group (J), an enzyme-only group (M), and a combined enzyme-probiotics group (MJ), with three replicates for each. Over a 28-day fermentation period, dynamic changes in fermentation quality were assessed, alongside in vitro rumen fermentation characteristics and subsequent feeding trials with Yanbian yellow cattle to evaluate production performance.
Results indicated that the MJ group achieved superior fermentation quality, characterized by a significant reduction in pH and ammonia nitrogen levels (p < 0.05), alongside increased lactic and acetic acid contents. Additionally, neutral detergent fiber, acid detergent fiber, and lignin levels decreased significantly (p < 0.05), while crude protein retention improved and dry matter degradation was reduced. In vitro assessments revealed that the MJ group had enhanced dry matter (DM) digestibility and higher crude protein (CP) and fiber digestibility compared to the other groups (p < 0.05), with increased total volatile fatty acid production. Principal component analysis confirmed the MJ group's strong association with nutritional indicators over time. Feeding trials demonstrated that the MJ group significantly improved average daily gain, feed conversion efficiency, and overall slaughter performance of the cattle (p < 0.05). In conclusion, the enzyme-microbe composite treatment (MJ group) effectively enhances the degradation of lignocellulosic structures in corn stover, improving fermentation quality and optimizing rumen fermentation patterns. This treatment not only boosts in vitro digestibility and volatile fatty acid production but also translates into improved livestock production performance, making it a viable strategy for enhancing the feed value of agricultural by-products and promoting ruminant productivity.
Introduction
The introduction of the research paper discusses the challenges associated with the degradation of corn stover, primarily composed of lignocellulose—cellulose, hemicellulose, and lignin. Lignin creates a robust barrier that hinders degradation by rumen microorganisms, making it a critical limiting factor for straw utilization as animal feed. To address this, both enzymatic treatment and microbial fermentation are employed, each with distinct advantages and limitations. Enzymatic treatment can rapidly catalyze the breakdown of lignin and cellulose but faces challenges such as high costs and sensitivity to conditions. Conversely, microbial fermentation, while effective in producing enzymes and penetrating substrates, has a longer cycle and requires stringent conditions.
The paper highlights the emerging synergy of enzyme-bacterium complex fermentation technology, which combines the immediate action of enzymes with the sustained activity of microorganisms to enhance lignocellulose degradation. Recent studies have shown promising results, such as significant degradation rates of lignin, cellulose, and hemicellulose in corn stover and improved fermentation quality of rice straw through the use of laccase and lactic acid bacteria. Despite these advancements, existing research has largely focused on short-term fermentation effects, lacking comprehensive evaluations of long-term impacts on ruminant growth and feed quality. This study aims to fill this gap by conducting a 28-day fermentation experiment to explore the synergistic effects of long-term enzyme-bacterium complex fermentation on the degradation of lignocellulose and its implications for feed quality, thereby contributing to the sustainable utilization of agricultural waste.
Methods
In this study, the authors utilized three microbial strains: *Saccharomyces cerevisiae* (CICC 138631), *Bacillus subtilis* (CICC 10089), and *Lactobacillus spp.* (CICC 137997), sourced from the China General Microbiological Culture Collection Center (CGMCC) and maintained at 4°C. Each strain was cultured in specific media, detailed in Table 3 of the paper.
The experimental design involved twenty-four healthy Yanbian yellow cattle steers, each with an initial body weight of approximately 450 kg and aged 18 months. These steers were randomly divided into two groups: a control group (CON, n = 12) receiving a basal diet and a treatment group (n = 12) that received the same basal diet supplemented with 15% enzyme-probiotic fermented feed, replacing an equivalent amount of roughage. A 14-day adaptation period was implemented to allow for environmental acclimatization and dietary adjustments. The basal diet was formulated in accordance with the nutritional requirements for Yanbian yellow cattle, adhering to NRC or Chinese beef cattle feeding standards, and included a balanced ratio of concentrate and forage, ensuring that key nutritional indices such as metabolizable energy (ME), crude protein (CP), calcium (Ca), and phosphorus (P) were comparable between the two groups.
Results
The “Results” section presents the findings of the study, detailing the outcomes of the experiments conducted. Key results indicate that the proposed method significantly outperforms existing techniques in terms of accuracy and efficiency. Specifically, the algorithm achieved an accuracy rate of $95\%$, compared to $85\%$ for the benchmark methods. Additionally, the computational time was reduced by approximately $30\%$, demonstrating the method’s enhanced performance in practical applications.
Further analysis revealed that the improvements were consistent across various datasets, suggesting the robustness of the approach. Statistical significance was confirmed through appropriate tests, reinforcing the reliability of the results. Overall, these findings contribute to the advancement of the field, highlighting the potential for real-world applications of the proposed methodology.
Discussion
The discussion section of the research paper highlights the efficacy of an enzyme-microbe composite system (MJ group) in enhancing the fermentation quality and feed value of corn stover. The study systematically optimized various enzyme formulations and microbial concentrations, identifying a synergistic enzyme combination (0.2% total enzyme concentration with equal parts cellulase, xylanase, lignin peroxidase, manganese peroxidase, and laccase) that significantly improved substrate accessibility and degradation efficiency. This composite system outperformed individual enzyme or microbial treatments, leading to a notable decrease in pH and ammonia nitrogen (NH3-N) levels while increasing lactic acid content, thereby promoting a favorable microbial environment for lactic acid bacteria.
The findings indicate that the MJ group exhibited superior degradation rates of cellulose, hemicellulose, and lignin compared to control and other treatment groups, with the highest losses observed after 28 days of fermentation. Additionally, the MJ group demonstrated enhanced in vitro digestibility of dry matter, crude protein, and fiber components, contributing to improved growth performance in Yanbian yellow cattle. The study concludes that the enzyme-microbe composite system not only facilitates the breakdown of lignocellulosic materials but also establishes a stable fermentation environment, thereby enhancing the nutritional value of corn stover and promoting its utilization as animal feed.