2. Mục tiêu của đề tài
1.5.2.4. Mối quan hệ của các vi sinh vật dạ cỏ
Vi sinh vật dạ cỏ có mối quan hệ cạnh tranh và hỗ trợ lẫn nhau, loài này phát triển trên sản phẩm của loài kia (Preston và Leng, 1987) [60]. Mối quan hệ giữa các vi sinh vật trong dạ cỏ bao gồm các quan hệ sau:
- Mối quan hệ cộng sinh: Quá trình lên men dạ cỏ là lien tục và bao gồm nhiều loài tham gia. Trong điều kiện bình thường giữa vi khuẩn và protozoa cũng có sự cộng sinh có lợi, đặc biệt là trong tiêu hóa xơ. Tiêu hóa xơ mạnh nhất khi có mặt cả vi khuẩn và protozoa. Một số vi khuẩn được protozoa nuốt vào có tác dụng lên men trong đó tốt hơn vì mỗi protozoa tạo ra một kiểu “dạ cỏ mịn” với các điều kiện ổn định cho vi khuẩn hoạt động. Một số loài ciliate còn hấp thu ôxi từ các dịch dạ cỏ giúp đảm bảo các điều kiện yếm khí trong dạ cỏ được tốt hơn. Protozoa nuốt và tích trũ tinh bột, hạn chế tốc độ sinh axit lactic, hạn chế giảm pH đột ngột, nên có lợi cho vi khuẩn phân giải được chất xơ (Vũ Duy Giảng, 2008) [12]. - Mối quan hệ cạnh tranh: Giữa các nhóm vi khuẩn khác nhau có sự cạnh tranh điều kiện sinh tồn. Chẳng hạn khi gia súc ăn khẩu phần giàu tinh bột nhưng nghèo protein thì số lượng vi khuẩn phân giải cellulose sẽ giảm và do đó tỉ lệ tiêu hóa xơ thấp (Vũ Duy Giảng, 2008) [12].
Như vậy, mối quan hệ và tương tác giữa các vi sinh vật dạ cỏ chịu ảnh hưởng rất rõ của khẩu phần ăn. Khi khẩu phần giàu chất dinh dưỡng thì không có sự cạnh tranh, ngược lại thì xảy ra sự cạnh tranh gay gắt giữa các nhóm vi sinh vật, gây ức chế lẫn nhau, từ đó sẽ làm giảm hiệu quả tiêu hóa thức ăn (Preston và Leng, 1987) [60].
1.5.2.5. Sinh trƣởng của vi sinh vật dạ cỏ
Sản xuất các tế bào mới trong quá trình sinh trưởng của vi sinh vật dạ cỏ đòi hỏi cần phải có các cơ chất, trước hết là các chất đơn giản và năng lượng (Adenosine Triphosphate – ATP). Các tiền chất cần thiết cho sự sinh tổng hợp protein vi sinh vật được trình bày sau đây:
- Nhu cầu dinh dưỡng cho sự phát triển vi sinh vật: Việc tổng hợp protein của vi sinh vật dạ cỏ sử dụng nitơ từ nhiều nguồn, hầu hết được lấy
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
từ ammoniac. Những nguồn nitơ khác bao gồm ure được tái sử dụng thong qua nước bọt và từ vách dạ dày và nitơ nội sinh có nguồn gốc từ các tế bào biểu mô dạ cỏ bị bong (Orskov, 1982) [58]. Tuy nhiên, để tổng hợp protein, một số loài vi khuẩn đòi hỏi phải có một lượng nhỏ peptid và axit amin, các axit này được sử dụng để tạo ra axit béo mạch ngắn là các yếu tố điều khiển sinh trưởng của vi sinh vật.
Mức độ sinh trưởng của vi sinh vật phụ thuộc vào năng lượng ATP sẵn có bởi vì các chức năng của tế bào và các hoạt động vận chuyển tích cực, duy trì độ pH, độ lệch áp suất thẩm thấu, tất cả đều cần đến ATP (Preston và Leng, 1987) [60].
Các chất khoáng và vitamin cũng có vai trò quan trọng trong tác động tới sự sinh trưởng và phát triển của vi sinh vật dạ cỏ. Lưu huỳnh cần cho sự tổng hợp methyonin và cystin. Photpho đóng vai trò quan trọng trong việc tạo thành những phần thiết yếu trong cấu trúc AND, ARN, và các hoạt động vận chuyển năng lượng trong tế bào (Orskov, 1982) [58]. Thiếu coban làm hạn chế sự sinh trưởng và hiệu suất tổng hợp của các vi sinh vật dạ cỏ, bởi vì các tế bào cần coban để tổng hợp vitamin B12 (Orskov, 1982) [58].
- Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất sinh tổng hợp của vi sinh vật ở dạ cỏ: Hiệu suất sinh tổng hợp của vi sinh vật dạ cỏ chịu ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố, bao gồm pH và tốc độ lưu chuyển của dịch dạ cỏ. Ngoài ra còn chịu ảnh hưởng của nồng độ NH3 trong dạ cỏ, với nồng độ NH3: 50-80 mg/lít dịch dạ cỏ là nồng độ cần thiết để hiệu suất sinh tổng hợp của vi sinh vật dạ cỏ đạt cao nhất.
Khi nồng độ NH3 cao thì NH3 sẽ được sử dụng trực tiếp để tổng hợp protein của vi sinh vật thông qua phản ứng khử hydro của glutamate mà không cần sử dụng ATP. Bằng cách này hiệu suất sinh tổng hợp của vi sinh vật sẽ được nâng cao. Như vậy, nồng độ NH3 trong dạ cỏ có thể làm thay đổi nhu cầu về ATP trong quá trình sinh trưởng của vi sinh vật.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Tốc độ tạo thành các tế bào vi sinh vật một phần phụ thuộc vào tốc độ dịch chuyển của các mảnh thức ăn ra khỏi dạ cỏ . Tốc độ vận chuyển thức ăn ra khỏi dạ cỏ chậm sẽ làm lượng protein vi sinh vật trôi xuống các phần dưới của đường tiêu hóa (Preston và Leng, 1987) [60].
Tóm lại, sự tổng hợp protein vi sinh vật trước hết phụ thuộc vào tính sẵn có của các tiền chất như: nitơ, năng lượng, các yếu tố sinh trưởng khác. Hiệu suất sinh tổng hợp tế bào vi khuẩn có thể thay đổi bằng cách thay đổi các yếu tố như nồng độ NH3, số lượng protozoa. Như vậy, điều khiển lên men dạ cỏ bằng cách thay đổi các yếu tố ảnh hưởng đến tổng hợp protein của vi sinh vật có thể làm tăng hiệu suất sinh tổng hợp tế bào vi khuẩn. Điều này có thể đạt được bằng một số cách: sử dụng các yếu tố làm tăng lượng propionate, các yếu tố ức chế metan như monensin, rumensin hoặc kiềm chế, ức chế hoàn toàn sự phát triển của protozoa dạ cỏ.
1.5.3. Thức ăn thô đối với gia súc nhai lại.
Carbohydrate bao gồm: tinh bột, đường hoà tan, cellulose, hemicellulose và pectin. Carbohydrate là thành phần chủ yếu của thực vật, chiếm 50-80% vật chất khô thực vật (Van Soest 1982) [70]; (Van Soest và cộng sự 1991) [71]. Carbohydrate được phân thành hai nhóm chủ yếu: nhóm hoà tan và không hoà tan trong nước (thực ra trong nhóm không hoà tan người ta xếp cả các carbohydrate kém hoà tan và hoàn toàn không hoà tan). Nhóm hào tan giữ vai trò chuyển hoá năng lượng, tham gia tổng hợp các mô của thực vật. Nhóm kém hoà tan như tinh bột là nguồn năng lượng dự trữ của cây cỏ. Nhóm không hoà tan như cellulose và hemicellulose hinh thành nên cấu trúc của thực vật. Nó chiếm khoảng 75% (hoặc có thể hơn) khối lượng chất khô của cây cỏ và nó là nguồn dinh dưỡng chủ yếu của gia súc (McDonald và cộng sự 1995) [56]; (Vũ Duy Giảng và cộng sự 1999) [11].
1.5.3.1. Thành phần và cấu trúc của thức ăn thô
Vật chất khô của thức ăn thô gồm hai phần: phần nội bào và vách tế bào (Sơ đồ 1.1). Phần nội bào chiếm một tỷ lệ rất nhỏ chứa các chất dễ hoà
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
tan và dễ lên men như tinh bột và đường. Vách tế bào gồm phần xơ bị lignin hoá, một ít keo thực vật (pectin) và một ít glycoprotein. Thành phần pectin dễ đượng lên men trong dạ cỏ. Protein trong vách tế bào khí bị phân giải vì chúng bị liên kết chặt chẽ với cellulose và lignin. Mức độ phân giải cellulose và hemicellulose của vách tế bào phụ thuộc vào mức dộ lignin hoá, VSV dạ cỏ không phân giải được lignin và hàm lượng của nó càng cao (khi thực vật già hoá) thì tỷ lệ tiêu hoá nói chung sẽ càng giảm.
Thức ăn thô nhiệt đới nói chung có chất lượng thấp hơn thức ăn thô ôn đới, bởi vì cây cỏ nhiệt đới bị lignin hoá rất sớm ở thời kỳ đang sinh trưởng (McDonald và cộng sự 1995) [56]. Theo Nguyễn Xuân Trạch 2005 [38] thức ăn thô chất lượng thấp có hai đặc trưng sau:
Sơ đồ 1.1: Thành phần carbohydrate của TA thô (Delaval, 2002, Trích Nguyễn Xuân Trạch, 2005) [38]
Carbohydrate
Dễ lên men
Vách tế bào
Neutral detergent fiber (NDF)
Đường Tinh bột Pectin Hemicellulosose Cellulose Lignin
Lên men chậm Không tiêu hóa
Carbonhydrat không phải xơ (chất nội bào)
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
a/ Cấu trúc vách tế bào phức tạp chủ yếu là cellulose, hemicellulose và lignin
Cellulose là cấu trúc chủ yếu của vách tế bào thực vật, chiếm khoảng 32 - 47% VCK của thức ăn thô. Cellulose là chuỗi carbohydrate đơn giản, phân tử mạch thẳng, được tạo bởi β- D - glucose bằng liên kết β- 1,4 - glucoside. Mỗi phân tử có thể lên tới hàng vạn phân tử glucose. Trong tự nhiên cellulose tồn tại dưới dạng chuỗi tinh thể. Cellulose bao gồm nhiều chuỗi thẳng liên kết với nhau thành bó dài nhờ mạch nối hydrogen tạo thành các sợi cellulose bền vững (microfibril) được bao bọc bởi các thành phần khác của vách tế bào. Các microfibril tập hợp lại tạo thành các macrofibril (McDonald và cộng sự 1995) [56]; (Preston và Leng, 1991) [22].
Hemicellulose là những heteropolysaccarit được cấu tạo từ các loại đường thuộc nhóm hexose (glucose, manose, galactose) và nhóm pentose (xylose, arabinose). Hemicellulose bao bọc xung quanh các microfibril cùng với một số thành phần khác như pectin va glycoprotein. Có thể coi hemicellulose cùng với pectin và glycoprotein là vữa để gắn kết các microfibril lại trong microfibril. Hemicellulose thường liên kết với các cấu trúc phenonic bao quang các sợi cellulose. Hemicellulose không hoà tan trong nước nhưng hoà tan trong dung dịch kiềm và bị thuỷ phân bởi axit dễ dàng hơn cellulose (Nguyễn Xuân Trạch, 2005) [38].
Lignin là hetero - polyme vô định hình của các loại rượu phenonic. Lignin không hoà tan trong nước, dung môi hữu cơ bình thường hay trong dung dịch axit đậm đặc và rất bền với các enzyme VSV dạ cỏ. Nhưng dưới tác dụng của dung dịch kiềm, bisulfitnatri hay axit sulfurơ một phần lignin bị phân giải và hoà tan vào dung dịch. Lignin hoá là giai đoạn cuối cùng của sự phát triển của tế bào thực vật. Thực vật càng già thì hàm lượng lignin càng cao. Mức độ lignin hoá cao làm cho thành tế bào thực vật trở nên cứng và bền vững, có ý nghĩa lớn đối với các cơ quan chống đỡ ở thực vật nhưng lại gây khó khăn trong việc tiêu hoá xơ ở dạ cỏ loài nhai lại.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Trong vách tế bào lignin liên kết với hemicellulose và cellulose bằng các mạch nối ester và hydrogen. Ngoài ra, lignin còn liên kết với protein bằng các mạch nối hoá trị. Ngoài các phân tử lignin trong vách tế bào còn có các phenonic tồn tại ở dạng tự do. Các phân tử phenonic tự do này ảnh hưởng ức chế đối với VSV dạ cỏ và các enzym của chúng (McDonald và cộng sự 1995) [56].
b/ Thức ăn thô có hàm lượng N, khoáng, vitamin và gluxit dễ tiêu thấp
Trong rơm ngũ cốc hàm lượng protein thô rất thấp (2-6%). Lượng protein (N) ít ỏi này lại khó sử dụng do bị cố kết chặt với vách tế bào bị lignin hoá. Các cây cỏ già lâu năm cũng vậy, hàm lượng protein thô giảm xuống rõ rệt theo tuổi, trong mùa khô và sau giai đoạn ra hoa (Preston và Leng, 1991) [22].
Tất cả thức ăn thô đều thiếu khoáng, kể cả khoáng đa lượng (Ca, P, Na) và các nguyên tố vi lượng, cũng như các loại vitamin, đặc biệt là vitamin A và D3 (McDonald và cs, 1995) [56].
Trong các loại cỏ thu hoạch muộn và đặc biệt là các loại rơm ngũ cốc hàm lượng bột đường cũng như xơ dễ tiêu thấp. Hầu hết đường dễ tiêu bị mất đi qua quá trình hô hấp trong khi phơi khô và bảo quản.
Như vậy, khả năng phân giải vách tế bào thức ăn thô bị hạn chế do: - Polyme cellulose bị tinh thể hoá.
- Hàm lượng lignin và các axit phenonic (ức chế VSV và các enzyme). - Sự liên kết chặt chẽ về mặt vật lý, hoá học giữa hemicellulose và cellulose của vách tế báo với lignin và các axit phenonic (làm cho VSV rất khó phân huỷ chất xơ và các chất dinh dưỡng khác).
1.1.3.2. Phân giải thức ăn thô trong dạ cỏ
Thức ăn thô được phân giải bởi VSV dạ cỏ. Các VSV này bám vào các tiểu phần thức ăn và thuỷ phân từng phần cellulose và hemicellulose nhờ các enzym của chúng. Quá trình thuỷ phân này sinh ra các loại đường đơn (glucose, xylose,...). Những đường này là các sản phẩm trung gian và
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
được lên men tiếp theo bởi các loại VSV dạ cỏ. Quá trình này sinh ra năng lượng dưới dạng ATP và ABBH cho vật chủ. Đó là các axit axetic, propionic và butyric theo một tỷ lệ khoảng 70: 20: 8 cùng với một lượng nhỏ izobutyric, izovaleric và valeric...(tỷ lệ này phụ thuộc vào bản chất của các loại carbohydrate trong khẩu phần) (Nguyễn Xuân Trạch, 2005) [38].
Quá trình phân giải vách tế bào thực vật đòi hỏi VSV dạ cỏ phải bám vào tiểu phần thức ăn để cho các enzyme tiết ra có thể xâm nhập vào bên trong cấu trúc xơ của vách tế bào. Phụ phẩm ngũ cốc và thức ăn thô chất lượng thấp có vách tế bào bị lignin hoá cao rất khó tiêu hoá. Người ta xác định rằng cellulose và hemicellulose ở dạng tinh khiết đều dễ tiêu hoá nhưng khi chúng liên kết với lignin tạo thành các phức chất bền vững thì rất khó tiêu hoá (Kopecny và Wallace 1982) [52]; (McDonald và cộng sự 1995) [56]; (Nguyễn Trọng Tiến và Mai Thị Thơm 1996) [34]; (Nguyễn Trọng Tiến và cộng sự 2001) [35]. Lignin làm giảm thấp tỷ lệ tiêu hóa của carbohydrate do liên kết hydro ở vị trí gấp khúc nên hạn chế hoạt động của enzyme cellulose. Các liên kết hoá học trong các phức hợp đó bền vững trong môi trường pH của dạ cỏ. Hơn nữa lignin còn là hàng rào ngăn chặn về mặt vật lý phía ngoài cản trở VSV dạ cỏ và các enzyme của chúng tiép xúc với cellulose và hemicellulose tạo thành phức chất tế bào. Sự kết hợp chặt chẽ giữa lignin và hemicellulose tạo thành phức chất ligno - hemicellulose không những cản trở sự tiêu hoá hemicellulose về mặt hoá học ở phần ngoài vách tế bào mà còn cản trở rất lớn về mặt vật lý học đối với sự phân giải “Lõi cellulose” ở bên trong. Sự lignin hoá làm cản trở sự tiếp cận trực tiếp của VSV và các enzyme của chúng với cellulose và hemicellulose, các axit phenonic trong vách tế bào cũng có tác dụng ức chế đối với VSV và các enzyme của chúng (McDonald và cộng sự 1995) [56].
Sản phẩm cuối cùng của quá trình lên men trong dạ cỏ của khẩu phần nhiều xơ là xetat. Khi sinh ra nhiều axit axetic thì cũng sinh ra nhiều hydrogen, từ đó sẽ có nhiều khí methane được tạo ra (Vũ Duy Giảng, 2001) [11]. Khẩu phần giàu tinh bột và đường sẽ sản sinh ra nhiều propionat,
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
khẩu phần giàu protein thì sinh ra nhiều axit butyric và chỉ đạo ra một lượng không lớn axit axetic và axit propionic. Tốc độ sản sinh ABBH và sinh khối VSV có liên quan đến tổng các chất dinh dưỡng tiêu hoá trong dạ cỏ mà VSV thu nhận được. Hàm lượng các ABBH sản sinh ra trong dạ cỏ tuỳ thuộc vào cơ cấu khẩu phần và loài gia súc nhai lại.
Ngoài ABBH, lên men dạ cỏ còn sản sinh khối lượng lớn các chất khí, nếu coi tổng khối lượng khí sinh ra là 100% thì tỷ lệ các loại khí như sau: 32% methane, 56% CO2, 8,5% N2 và 3,5% O2 (McDonald và cộng sự 1995) [56].
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Chƣơng 2
ĐỐI TƢỢNG, NỘI DUNG VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
2.1. Đối tƣợng nghiên cứu
- Cỏ Brachiaria decumben
- Bò thịt địa phương (bò lai sindhi F1), tuổi từ 8 - 12 tháng tuổi
2.2. Địa điểm, thời gian nghiên cứu
- Địa điểm nghiên cứu:
+ Trung tâm Thực hành Thực nghiệm trường Đại Học Nông Lâm Thái Nguyên
+ Trung tâm Nghiên cứu và Phát triển Chăn nuôi Miền Núi. - Thời gian nghiên cứu:
+ Từ tháng 12 năm 2007 đến tháng 12 năm 2008
2.3. Nội dung nghiên cứu
- Nghiên cứu khoảng cách cắt thích hợp.
Nghiên cứu các khoảng cách khác nhau là 30, 45, 60, 75 ngày đối với giống cỏ Brachiaria decumben
. Từ năng suất và chất lượng cỏ ở các khoảng cách cắt, xác định