מאמר זה הוא חלק מנושא המחקר "שימוש באנטיבקטריאלי, עמידות לאנטיביוטיקה והמיקרוביום של בעלי חיים המשמשים למאכל". צפה בכל 13 המאמרים.
חומצות אורגניות ממשיכות להיות מבוקשות מאוד כתוספים למזון לבעלי חיים. עד כה, המוקד היה על בטיחות מזון, ובמיוחד על הפחתת שכיחות פתוגנים הנישאים במזון בעופות ובבעלי חיים אחרים. מספר חומצות אורגניות נחקרות כעת או כבר נמצאות בשימוש מסחרי. מבין החומצות האורגניות הרבות שנחקרו בהרחבה, חומצה פורמית היא אחת מהן. חומצה פורמית מתווספת לתזונה של עופות כדי להגביל את נוכחותם של סלמונלה ופתוגנים אחרים הנישאים במזון במזון ובמערכת העיכול לאחר בליעה. ככל שההבנה של יעילותה והשפעתה של חומצה פורמית על הפונדקאי ועל פתוגנים הנישאים במזון גוברת, מתברר שנוכחות חומצה פורמית יכולה להפעיל מסלולים ספציפיים בסלמונלה. תגובה זו יכולה להיות מורכבת יותר כאשר חומצה פורמית נכנסת למערכת העיכול ומקיימת אינטראקציה לא רק עם סלמונלה שכבר מתיישבת במערכת העיכול, אלא גם עם הפלורה המיקרוביאלית של המעיים עצמה. הסקירה תבחן את התוצאות הנוכחיות והסיכויים למחקר נוסף על המיקרוביום של עופות ומזון שטופל בחומצה פורמית.
הן בגידול בעלי חיים והן בגידול עופות, האתגר הוא לפתח אסטרטגיות ניהול שממטבות את הצמיחה והפרודוקטיביות תוך הגבלת סיכוני בטיחות המזון. מבחינה היסטורית, מתן אנטיביוטיקה בריכוזים תת-תרפויטיים שיפר את בריאות בעלי החיים, את רווחתם ואת הפרודוקטיביות (1-3). מנקודת מבט של מנגנון פעולה, הוצע כי אנטיביוטיקה הניתנת בריכוזים תת-מעכבים מתווכת את תגובות המארח על ידי ויסות הפלורה במערכת העיכול (GI), ובתורו, את האינטראקציות שלהן עם המארח (3). עם זאת, חששות מתמשכים לגבי התפשטות פוטנציאלית של פתוגנים הנישאים במזון עמידים לאנטיביוטיקה והקשר הפוטנציאלי שלהם לזיהומים עמידים לאנטיביוטיקה בבני אדם הובילו להפסקה הדרגתית של השימוש באנטיביוטיקה בבעלי חיים המשמשים למאכל (4-8). לכן, פיתוח תוספי מזון ומשפרים העונים לפחות על חלק מהדרישות הללו (שיפור בריאות בעלי חיים, רווחתם ופריון) הוא בעל עניין רב הן מנקודת מבט של מחקר אקדמי והן מנקודת מבט של פיתוח מסחרי (5, 9). מגוון תוספי מזון מסחריים נכנסו לשוק המזון לבעלי חיים, כולל פרוביוטיקה, פרה-ביוטיקה, שמנים אתריים ותרכובות קשורות ממקורות צמחיים שונים, וכימיקלים כגון אלדהידים (10-14). תוספי מזון מסחריים אחרים הנמצאים בשימוש נפוץ בעופות כוללים בקטריופאג'ים, תחמוצת אבץ, אנזימים אקסוגניים, תוצרי הדרה תחרותיים ותרכובות חומציות (15, 16).
מבין תוספי המזון הכימיים הקיימים, אלדהידים וחומצות אורגניות היו מבחינה היסטורית התרכובות הנחקרו והנפוצות ביותר (12, 17-21). חומצות אורגניות, ובמיוחד חומצות שומן קצרות שרשרת (SCFAs), הן אנטגוניסטים ידועים של חיידקים פתוגניים. חומצות אורגניות אלו משמשות כתוספי מזון לא רק כדי להגביל את נוכחותם של פתוגנים במטריצת המזון, אלא גם כדי להפעיל השפעות פעילות על תפקוד מערכת העיכול (17, 20-24). בנוסף, SCFAs מיוצרים על ידי תסיסה על ידי פלורת המעי במערכת העיכול, ונחשבים כבעלי תפקיד מכניסטי ביכולתם של חלק מהפרוביוטיקה והפרה-ביוטיקה לנטרל פתוגנים הנבלעים במערכת העיכול (21, 23, 25).
במהלך השנים, חומצות שומן קצרות שרשרת (SCFAs) שונות משכו תשומת לב רבה כתוספי מזון. בפרט, פרופיונט, בוטיראט ופורמט היו נושא למחקרים רבים ויישומים מסחריים (17, 20, 21, 23, 24, 26). בעוד שמחקרים מוקדמים התמקדו בבקרה של פתוגנים הנישאים במזון במזון לבעלי חיים ועופות, מחקרים אחרונים יותר העבירו את המיקוד שלהם לשיפור הכללי של ביצועי בעלי חיים ובריאות מערכת העיכול (20, 21, 24). אצטט, פרופיונט ובוטיראט משכו תשומת לב רבה כתוספי מזון חומצה אורגנית, ביניהם חומצה פורמית היא גם מועמד מבטיח (21, 23). תשומת לב רבה הוקדשה להיבטים של בטיחות המזון של חומצה פורמית, ובפרט להפחתת שכיחות פתוגנים הנישאים במזון במזון לבעלי חיים. עם זאת, נשקלים גם שימושים אפשריים אחרים. המטרה הכוללת של סקירה זו היא לבחון את ההיסטוריה והמצב הנוכחי של חומצה פורמית כמשפר מזון לבעלי חיים (איור 1). במחקר זה, נבחן את המנגנון האנטיבקטריאלי של חומצה פורמית. בנוסף, נבחן מקרוב את השפעותיו על בעלי חיים ועופות ונדון בשיטות אפשריות לשיפור יעילותו.
איור 1. מפת חשיבה של הנושאים המכוסים בסקירה זו. בפרט, התמקדו המטרות הכלליות הבאות: לתאר את ההיסטוריה והמעמד הנוכחי של חומצה פורמית כמשפר מזון לבעלי חיים, המנגנונים האנטי-מיקרוביאליים של חומצה פורמית והשפעת השימוש בה על בריאות בעלי חיים ועופות, ושיטות פוטנציאליות לשיפור היעילות.
ייצור מזון לבעלי חיים ועופות הוא תהליך מורכב הכולל שלבים מרובים, כולל עיבוד פיזי של דגנים (למשל, טחינה להפחתת גודל החלקיקים), עיבוד תרמי לצורך הפיכתם לכדורים, והוספת רכיבים תזונתיים מרובים לתזונה בהתאם לצרכים התזונתיים הספציפיים של בעל החיים (27). בהתחשב במורכבות זו, אין זה מפתיע שעיבוד מזון חושף את הדגנים למגוון גורמים סביבתיים לפני שהם מגיעים לטחנת המזון, במהלך הטחינה, ולאחר מכן במהלך ההובלה וההאכלה במנות מזון מורכבות (9, 21, 28). לפיכך, במהלך השנים זוהתה קבוצה מגוונת מאוד של מיקרואורגניזמים במזון, כולל לא רק חיידקים אלא גם בקטריופאג'ים, פטריות ושמרים (9, 21, 28-31). חלק מהמזהמים הללו, כמו פטריות מסוימות, יכולים לייצר מיקוטוקסינים המהווים סיכונים בריאותיים לבעלי חיים (32-35).
אוכלוסיות חיידקים יכולות להיות מגוונות יחסית ותלויות במידה מסוימת בשיטות המשמשות לבידוד וזיהוי של מיקרואורגניזמים, כמו גם במקור הדגימה. לדוגמה, פרופיל ההרכב המיקרוביאלי עשוי להיות שונה לפני טיפול בחום הקשור לייצור גלולות (36). למרות ששיטות תרבית קלאסיות ושיטות ציפוי בצלחות סיפקו מידע מסוים, היישום האחרון של שיטת ריצוף הדור הבא (NGS) המבוססת על גן 16S rRNA סיפק הערכה מקיפה יותר של קהילת המיקרוביום של המספוא (9). כאשר סולנקי ועמיתיו (37) בחנו את המיקרוביום החיידקי של גרגירי חיטה המאוחסנים למשך זמן בנוכחות פוספין, חומר הדברה לחרקים, הם מצאו שהמיקרוביום היה מגוון יותר לאחר הקציר ולאחר 3 חודשי אחסון. יתר על כן, סולנקי ועמיתיו... (37) (37) הדגימו כי Proteobacteria, Firmicutes, Actinobacteria, Bacteroidetes ו-Planctomyces היו המערכות הדומיננטיות בדגני חיטה, Bacillus, Erwinia ו-Pseudomonas היו הסוגים הדומיננטיים, ו-Enterobacteriaceae היוו חלק קטן. בהתבסס על השוואות טקסונומיות, הם הסיקו כי חיטוי פוספין שינה באופן משמעותי את אוכלוסיות החיידקים אך לא השפיע על מגוון הפטרייתי.
סולאנקי ועמיתיו (37) הראו שמקורות מזון יכולים להכיל גם פתוגנים הנישאים במזון שעלולים לגרום לבעיות בריאות הציבור, בהתבסס על גילוי של Enterobacteriaceae במיקרוביום. פתוגנים הנישאים במזון כגון Clostridium perfringens, Clostridium botulinum, Salmonella, Campylobacter, Escherichia coli O157:H7, ו-Listeria monocytogenes נקשרו למזון לבעלי חיים ולתחמיץ (9, 31, 38). ההישרדות של פתוגנים אחרים הנישאים במזון במזון לבעלי חיים ועופות אינה ידועה כיום. Ge ועמיתיו (39) סננו למעלה מ-200 מרכיבי מזון לבעלי חיים ובודדו סלמונלה, E. coli, ו-Enterococci, אך לא זיהו E. coli O157:H7 או Campylobacter. עם זאת, מטריצות כגון מזון יבש עשויות לשמש כמקור ל-E. coli פתוגני. באיתור מקור התפרצות בשנת 2016 של קבוצות הסרו-קבוצות O121 ו-O26 המייצרות רעלן שיגה (STEC) הקשורות למחלות אנושיות, Crowe ועמיתיו... (40) השתמשו בריצוף גנום שלם כדי להשוות בין מבודדים קליניים לבין מבודדים שהתקבלו ממוצרי מזון. בהתבסס על השוואה זו, הם הסיקו שהמקור הסביר היה קמח חיטה גולמי בעל לחות נמוכה מטחנות קמח. תכולת הלחות הנמוכה של קמח חיטה מרמזת ש-STEC יכול לשרוד גם במזון לבעלי חיים בעל לחות נמוכה. עם זאת, כפי שציינו קרואו ואחרים (40), בידוד STEC מדגימות קמח קשה ודורש שיטות הפרדה אימונומגנטיות כדי לשחזר מספר מספיק של תאי חיידקים. תהליכי אבחון דומים עשויים גם לסבך את הגילוי והבידוד של פתוגנים נדירים הנישאים במזון במזון לבעלי חיים. הקושי בגילוי עשוי לנבוע גם מההישרדות הארוכה של פתוגנים אלה במטריצות בעלות לחות נמוכה. פורגאני ואחרים. (41) הדגימו כי קמח חיטה שאוחסן בטמפרטורת החדר והוכנס לתערובת של קבוצות חיידקי אשריכיה קולי (EHEC) אנטרוהמורגיות O45, O121 ו-O145 וסלמונלה (S. Typhimurium, S. Agona, S. Enteritidis ו-S. Anatum) היה ניתן לכימות לאחר 84 ו-112 ימים ועדיין ניתן לזיהוי לאחר 24 ו-52 שבועות.
מבחינה היסטורית, קמפילובקטר מעולם לא בודד ממזון לבעלי חיים ועופות בשיטות גידול מסורתיות (38, 39), למרות שניתן לבודד בקלות קמפילובקטר ממערכת העיכול של עופות ומוצרי עופות (42, 43). עם זאת, למזון עדיין יש יתרונות כמקור פוטנציאלי. לדוגמה, אלווס ועמיתיו (44) הראו כי חיסון מזון לעופות מפוטמים עם C. jejuni ואחסון המזון לאחר מכן בשתי טמפרטורות שונות למשך 3 או 5 ימים הביאו לשיקום C. jejuni חיידקים חיים, ובמקרים מסוימים אף להתרבותם. הם הסיקו כי C. jejuni בהחלט יכול לשרוד במזון לעופות, ולכן עשוי להוות מקור פוטנציאלי לזיהום עבור תרנגולות.
זיהום סלמונלה במזון לבעלי חיים ועופות זכה לתשומת לב רבה בעבר ונשאר מוקד למאמצים מתמשכים לפתח שיטות גילוי החלות במיוחד על מזון ולמצוא אמצעי בקרה יעילים יותר (12, 26, 30, 45-53). במהלך השנים, מחקרים רבים בחנו את הבידוד והאפיון של סלמונלה במפעלי מזון ובמפעלי מזון שונים (38, 39, 54-61). בסך הכל, מחקרים אלה מצביעים על כך שניתן לבודד סלמונלה ממגוון מרכיבי מזון, מקורות מזון, סוגי מזון ופעולות ייצור מזון. שיעורי השכיחות וזני הסלמונלה השולטים שבודדו גם הם השתנו. לדוגמה, לי ועמיתיו (57) אישרו את נוכחותם של מיני סלמונלה. הוא זוהה ב-12.5% ​​מתוך 2058 דגימות שנאספו ממזון מלא לבעלי חיים, מרכיבי מזון, מזון לחיות מחמד, חטיפים לחיות מחמד ותוספי מזון לחיות מחמד במהלך תקופת איסוף הנתונים 2002 עד 2009. בנוסף, הסרוטיפים הנפוצים ביותר שהתגלו ב-12.5% ​​מדגימות הסלמונלה שנמצאו חיוביות היו S. Senftenberg ו-S. Montevideo (57). במחקר של מזונות מוכנים לאכילה ותוצרי לוואי של מזון לבעלי חיים בטקסס, Hsieh ועמיתיו (58) דיווחו כי השכיחות הגבוהה ביותר של סלמונלה הייתה בקמח דגים, ואחריה חלבונים מן החי, כאשר S. Mbanka ו-S. Montevideo הם הסרוטיפים הנפוצים ביותר. מפעלי הזנה מציגים גם מספר נקודות פוטנציאליות לזיהום מזון במהלך ערבוב והוספת מרכיבים (9, 56, 61). Magossi ועמיתיו (61) הצליחו להדגים כי נקודות זיהום מרובות יכולות להתרחש במהלך ייצור מזון בארצות הברית. למעשה, Magossi ועמיתיו (61) מצאו לפחות תרבית סלמונלה חיובית אחת ב-11 מפעלי הזנה (12 מיקומי דגימה בסך הכל) בשמונה מדינות בארצות הברית. בהתחשב בפוטנציאל לזיהום סלמונלה במהלך טיפול במזון, הובלה והאכלה יומית, אין זה מפתיע כי נעשים מאמצים משמעותיים לפתח תוספי מזון שיכולים להפחית ולשמור על רמות נמוכות של זיהום מיקרוביאלי לאורך כל מחזור הייצור של בעלי חיים.
מעט ידוע על מנגנון התגובה הספציפית של סלמונלה לחומצה פורמית. עם זאת, הואנג ועמיתיו (62) ציינו כי חומצה פורמית קיימת במעי הדק של יונקים וכי מיני סלמונלה מסוגלים לייצר חומצה פורמית. הואנג ועמיתיו (62) השתמשו בסדרה של מוטציות מחיקה של מסלולים מרכזיים כדי לזהות את הביטוי של גנים של אלימות סלמונלה ומצאו כי פורמט יכול לשמש כאות מפוזר כדי לגרום לסלמונלה לפלוש לתאי אפיתל Hep-2. לאחרונה, ליו ועמיתיו (63) בודדו נשא פורמט, FocA, מסלמונלה טיפימוריום, המתפקד כערוץ פורמט ספציפי ב-pH 7.0 אך יכול לתפקד גם כערוץ ייצוא פסיבי ב-pH חיצוני גבוה או כערוץ ייבוא ​​משני פעיל של פורמט/יוני מימן ב-pH נמוך. עם זאת, מחקר זה בוצע על סרוטיפ אחד בלבד של S. Typhimurium. השאלה נותרת בעינה האם כל הסרוטיפים מגיבים לחומצה פורמית במנגנונים דומים. זוהי נותרה שאלת מחקר קריטית שיש להתייחס אליה במחקרים עתידיים. ללא קשר לתוצאות, עדיין מומלץ להשתמש במספר זנים של סלמונלה או אפילו במספר זנים של כל סרוטיפ בניסויי סינון בעת ​​פיתוח המלצות כלליות לשימוש בתוספי חומצה להפחתת רמות סלמונלה במזון. גישות חדשות יותר, כגון שימוש בברקוד גנטי לקידוד זנים כדי להבחין בין תת-קבוצות שונות של אותו סרוטיפ (9, 64), מציעות את ההזדמנות להבחין בהבדלים עדינים יותר שעשויים להשפיע על מסקנות ופרשנות ההבדלים.
האופי הכימי וצורת הדיסוציאציה של הפורמט עשויים גם הם להיות חשובים. בסדרת מחקרים, בייר ועמיתיו (65-67) הדגימו כי עיכוב של Enterococcus faecium, Campylobacter jejuni ו-Campylobacter coli היה בקורלציה עם כמות החומצה הפורמית המפורקת ולא היה תלוי ב-pH או בחומצה פורמית לא מפורקת. נראה כי גם הצורה הכימית של הפורמט שאליה נחשפים החיידקים חשובה. קובנדה ועמיתיו (68) סקרו מספר אורגניזמים גראם-שליליים וגראם-חיוביים והשוו את הריכוזים המעכבים המינימליים (MIC) של נתרן פורמט (500-25,000 מ"ג/ליטר) ותערובת של נתרן פורמט ופורמט חופשי (40/60 m/v; 10-10,000 מ"ג/ליטר). בהתבסס על ערכי MIC, הם מצאו כי נתרן פורמט היה מעכב רק כנגד Campylobacter jejuni, Clostridium perfringens, Streptococcus suis ו-Streptococcus pneumoniae, אך לא כנגד Escherichia coli, Salmonella typhimurium או Enterococcus faecalis. לעומת זאת, תערובת של נתרן פורמט ונתרן פורמט חופשי הייתה מעכבת כנגד כל האורגניזמים, מה שהוביל את המחברים למסקנה כי לחומצה פורמית חופשית יש את רוב התכונות האנטי-מיקרוביאליות. יהיה מעניין לבחון יחסים שונים של שתי צורות כימיות אלו כדי לקבוע האם טווח ערכי ה-MIC מתואם עם רמת החומצה הפורמית הקיימת בנוסחה המעורבת והתגובה לחומצה פורמית 100%.
גומז-גרסיה ועמיתיו (69) בדקו שילובים של שמנים אתריים וחומצות אורגניות (כגון חומצה פורמית) כנגד מספר זנים של אשריכיה קולי, סלמונלה וקלוסטרידיום פרפריגנס שהתקבלו מחזירים. הם בדקו את יעילותן של שש חומצות אורגניות, כולל חומצה פורמית, ושישה שמנים אתריים כנגד זנים של חזירים, תוך שימוש בפורמלדהיד כביקורת חיובית. גומז-גרסיה ועמיתיו (69) קבעו את ה-MIC50, MBC50 וה-MIC50/MBC50 של חומצה פורמית כנגד אשריכיה קולי (600 ו-2400 ppm, 4), סלמונלה (600 ו-2400 ppm, 4) וקלוסטרידיום פרפריגנס (1200 ו-2400 ppm, 2), שביניהן חומצה פורמית נמצאה יעילה יותר מכל החומצות האורגניות כנגד אי קולי וסלמונלה. (69) חומצה פורמית יעילה כנגד אשריכיה קולי וסלמונלה בשל גודלה המולקולרי הקטן ושרשרתה הארוכה (70).
בייר ועמיתיו סקרו זני Campylobacter שבודדו מחזירים (66) וזני Campylobacter jejuni שבודדו מעופות (67) והראו שחומצה פורמית מתפרקת בריכוזים התואמים את תגובות MIC שנמדדו עבור חומצות אורגניות אחרות. עם זאת, העוצמה היחסית של חומצות אלו, כולל חומצה פורמית, הועמדה בספק מכיוון שקמפילובקטר יכול להשתמש בחומצות אלו כסובסטרטים (66, 67). ניצול החומצה של C. jejuni אינו מפתיע מכיוון שהוכח כי יש לו מטבוליזם שאינו גליקוליטי. לפיכך, ל-C. jejuni יש יכולת מוגבלת לקטבוליזם פחמימות והוא מסתמך על גלוקונאוגנזה מחומצות אמינו וחומצות אורגניות עבור רוב מטבוליזם האנרגיה שלו ופעילותו הביוסינתטית (71, 72). מחקר מוקדם של Line ועמיתיו (73) השתמש במערך פנוטיפי המכיל 190 מקורות פחמן והראה ש-C. jejuni 11168(GS) יכול להשתמש בחומצות אורגניות כמקורות פחמן, שרובן הן תוצרי ביניים של מחזור חומצה טריקרבוקסילית. מחקרים נוספים של Wagli ועמיתיו... (74) שימוש במערך פנוטיפי של ניצול פחמן הראה כי זני C. jejuni ו-E. coli שנבדקו במחקרם מסוגלים לגדול על חומצות אורגניות כמקור פחמן. פורמט הוא תורם האלקטרונים העיקרי למטבוליזם אנרגטי נשימתי של C. jejuni, ולכן מקור האנרגיה העיקרי עבור C. jejuni (71, 75). C. jejuni מסוגל להשתמש בפורמט כתורם מימן באמצעות קומפלקס דהידרוגנאז פורמט הקשור לממברנה, המחמצן פורמט לפחמן דו-חמצני, פרוטונים ואלקטרונים ומשמש כתורם אלקטרונים לנשימה (72).
לחומצה פורמית היסטוריה ארוכה של שימוש כמשפר מזון אנטי-מיקרוביאלי, אך חרקים מסוימים יכולים גם לייצר חומצה פורמית לשימוש ככימיקל הגנה אנטי-מיקרוביאלי. רוסיני ואחרים (76) הציעו שחומצה פורמית עשויה להיות מרכיב במוהל החומצי של נמלים שתואר על ידי ריי (77) לפני כמעט 350 שנה. מאז, הבנתנו לגבי ייצור חומצה פורמית בנמלים ובחרקים אחרים גדלה במידה ניכרת, וכיום ידוע שתהליך זה הוא חלק ממערכת הגנה מורכבת מפני רעלים בחרקים (78). קבוצות שונות של חרקים, כולל דבורים חסרות עוקץ, נמלים מחודדות (Hymenoptera: Apidae), חיפושיות קרקע (Galerita lecontei ו-G. janus), נמלים חסרות עוקץ (Formicinae) וכמה זחלי עש (Lepidoptera: Myrmecophaga), ידועות כמייצרות חומצה פורמית ככימיקל הגנה (76, 78-82).
נמלים מאופיינות אולי בצורה הטובה ביותר משום שיש להן אצידוציטים, פתחים מיוחדים המאפשרים להן לרסס ארס המורכב בעיקר מחומצה פורמית (82). הנמלים משתמשות בסרין כחומר מקדים ומאחסנות כמויות גדולות של פורמט בבלוטות הארס שלהן, אשר מבודדות מספיק כדי להגן על נמלי המארח מפני הציטוטוקסיות של הפורמט עד לריססו (78, 83). החומצה הפורמית שהן מפרישות עשויה (1) לשמש כפרומון אזעקה למשיכת נמלים אחרות; (2) להיות חומר כימי הגנתי מפני מתחרים וטורפים; ו-(3) לפעול כחומר אנטי-פטרייתי ואנטיבקטריאלי בשילוב עם שרף כחלק מחומר הקן (78, 82, 84-88). לחומצה פורמית המיוצרת על ידי נמלים יש תכונות אנטי-מיקרוביאליות, דבר המצביע על כך שניתן להשתמש בה כתוסף מקומי. הדבר הודגם על ידי ברוך ואחרים (88), שהוסיפו חומצה פורמית סינתטית לשרף ושיפרו משמעותית את הפעילות האנטי-פטרייתית. ראיה נוספת ליעילותה של חומצה פורמית ולתועלת הביולוגית שלה היא שדוחי נמלים ענקיים, שאינם מסוגלים לייצר חומצת קיבה, צורכים נמלים המכילות חומצה פורמית כדי לספק לעצמן חומצה פורמית מרוכזת כחומצת עיכול חלופית (89).
השימוש המעשי בחומצה פורמית בחקלאות נבחן ונחקר במשך שנים רבות. בפרט, חומצה פורמית יכולה לשמש כתוסף למזון לבעלי חיים ולתחמיץ. נתרן פורמט בצורה מוצקה ונוזלית נחשב בטוח לכל מיני בעלי החיים, לצרכנים ולסביבה (90). בהתבסס על הערכתם (90), ריכוז מקסימלי של 10,000 מ"ג שווה ערך לחומצה פורמית/ק"ג מזון נחשב בטוח לכל מיני בעלי החיים, בעוד שריכוז מקסימלי של 12,000 מ"ג שווה ערך לחומצה פורמית/ק"ג מזון נחשב בטוח לחזירים. השימוש בחומצה פורמית כמשפר מזון לבעלי חיים נחקר במשך שנים רבות. היא נחשבת כבעלת ערך מסחרי כחומר משמר לתחמיץ וחומר אנטי-מיקרוביאלי במזון לבעלי חיים ועופות.
תוספים כימיים כמו חומצות תמיד היו מרכיב בלתי נפרד בייצור תחמיץ ובניהול מזון (91, 92). בוריאני ואחרים (91) ציינו שכדי להשיג ייצור אופטימלי של תחמיץ באיכות גבוהה, יש צורך לשמור על איכות המספוא תוך שמירה על כמה שיותר חומר יבש. התוצאה של אופטימיזציה כזו היא מזעור הפסדים בכל שלבי תהליך העיבוד: החל מהתנאים האירוביים הראשוניים בסילו ועד לתסיסה, אחסון ופתיחה מחדש של הסילו להאכלה. שיטות ספציפיות לאופטימיזציה של ייצור תחמיץ בשדה ותסיסת התחמיץ שלאחר מכן נדונו בפירוט במקומות אחרים (91, 93-95) ולא יידונו בפירוט כאן. הבעיה העיקרית היא הידרדרות חמצונית הנגרמת על ידי שמרים ועובשים כאשר חמצן נמצא בסילו (91, 92). לכן, הוכנסו חומרי חיסון ביולוגיים ותוספים כימיים כדי לנטרל את ההשפעות השליליות של קלקול (91, 92). שיקולים נוספים לתוספי תחמיץ כוללים הגבלת התפשטות פתוגנים שעשויים להימצא בתחמיץ (למשל, חיידקי אי קולי, ליסטריה וסלמונלה פתוגניים) וכן פטריות המייצרות מיקוטוקסינים (96-98).
מאק ועמיתיו (92) חילקו תוספים חומציים לשתי קטגוריות. חומצות כמו חומצות פרופיוניות, אצטיות, סורביות ובנזואיות שומרות על היציבות האירובית של תחמיץ כאשר הן ניתנות למעלי גירה על ידי הגבלת צמיחת שמרים ועובשים (92). מאק ועמיתיו (92) הפרידו חומצה פורמית מחומצות אחרות וראו בה מחמצת ישירה המעכבת קלוסטרידיה ומיקרואורגניזמים מקלקלים תוך שמירה על שלמות חלבון התחמיץ. בפועל, צורות המלח שלהן הן הצורות הכימיות הנפוצות ביותר כדי להימנע מהתכונות הקורוזיות של החומצות בצורה שאינה ממלח (91). קבוצות מחקר רבות חקרו גם חומצה פורמית כתוסף חומצי לתחמיץ. חומצה פורמית ידועה בפוטנציאל החמצתי המהיר שלה ובהשפעתה המעכבת על צמיחתם של מיקרואורגניזמים מזיקים בתחמיץ המפחיתים את תכולת החלבון והפחמימות המסיסות במים בתחמיץ (99). לכן, He ועמיתיו (92) השוו חומצה פורמית עם תוספים חומציים בתחמיץ. (100) הדגימו שחומצה פורמית יכולה לעכב את Escherichia coli ולהוריד את רמת החומציות של התחמיץ. תרביות חיידקים המייצרות חומצה פורמית וחומצה לקטית נוספו גם לתחמיץ כדי לעודד החמצה וייצור חומצה אורגנית (101). למעשה, קולי ועמיתיו (101) מצאו שכאשר תחמיץ הוחמצן עם 3% (w/v) חומצה פורמית, ייצור החומצות החלביות והפורמיות עלה על 800 ו-1000 מ"ג חומצה אורגנית/100 גרם דגימה, בהתאמה. מאק ועמיתיו (92) סקרו את ספרות המחקר על תוספי תחמיץ בפירוט, כולל מחקרים שפורסמו מאז שנת 2000 שהתמקדו ו/או כללו חומצה פורמית וחומצות אחרות. לכן, סקירה זו לא תדון בפירוט במחקרים בודדים אלא פשוט תסכם כמה נקודות מפתח בנוגע ליעילותה של חומצה פורמית כתוסף תחמיץ כימי. נחקרו חומצה פורמית לא-חומצה וחומצה-חומצה חומצה וברוב המקרים Clostridium spp. הפעילות היחסית שלה (ספיגת פחמימות, חלבונים ולקטט והפרשת בוטיראט) נוטה לרדת, בעוד שייצור האמוניה והבוטיראט יורד ושימור החומר היבש עולה (92). ישנן מגבלות לביצועיה של חומצה פורמית, אך נראה כי השימוש בה כתוסף תחמיץ בשילוב עם חומצות אחרות מתגבר על חלק מהבעיות הללו (92).
חומצה פורמית יכולה לעכב חיידקים פתוגניים המהווים סיכון לבריאות האדם. לדוגמה, פאולי וטאם (102) חיסנו ממגורות מעבדה קטנות עם L. monocytogenes המכילות שלוש רמות חומר יבש שונות (200, 430 ו-540 גרם/ק"ג) של עשב שיפון ולאחר מכן הוסיפו חומצה פורמית (3 מ"ל/ק"ג) או חיידקי חומצה לקטית (8 × 105/גרם) ואנזימים צלולוליטיים. הם דיווחו ששני הטיפולים הפחיתו את L. monocytogenes לרמות בלתי ניתנות לגילוי בתחמיץ דל חומר יבש (200 גרם/ק"ג). עם זאת, בתחמיץ יבש בינוני (430 גרם/ק"ג), L. monocytogenes עדיין ניתן היה לגילוי לאחר 30 יום בתחמיץ שטופל בחומצה פורמית. נראה כי הירידה ב-L. monocytogenes קשורה ל-pH נמוך יותר, חומצה לקטית וחומצות לא מנותקות משולבות. לדוגמה, פאולי וטאם (102) ציינו כי רמות חומצה לקטית ורמות חומצה לא מנותקת משולבות היו חשובות במיוחד, וזו עשויה להיות הסיבה לכך שלא נצפתה ירידה ב-L. monocytogenes במצע שטופל בחומצה פורמית מחומר תחמיץ בעל תכולת חומר יבש גבוהה יותר. יש לערוך מחקרים דומים בעתיד עבור פתוגנים נפוצים אחרים של חומר תחמיץ כגון סלמונלה ו-E. coli פתוגניים. ניתוח מקיף יותר של רצף 16S rDNA של כל קהילת המיקרוביאלים של חומר התמיץ עשוי גם לסייע בזיהוי שינויים באוכלוסיית המיקרוביאלים הכוללת של חומר התמיץ המתרחשים בשלבים שונים של תסיסת חומר התמיץ בנוכחות חומצה פורמית (103). השגת נתוני מיקרוביום עשויה לספק תמיכה אנליטית לחיזוי טוב יותר של התקדמות תסיסת חומר התמיץ ולפיתוח שילובי תוספים אופטימליים לשמירה על איכות גבוהה של חומר התמיץ.
במזון לבעלי חיים המבוסס על דגנים, חומצה פורמית משמשת כחומר אנטי-מיקרוביאלי להגבלת רמות פתוגנים במטריצות מזון שונות שמקורן בדגנים, כמו גם במרכיבי מזון מסוימים כגון תוצרי לוואי מן החי. ניתן לחלק את ההשפעות על אוכלוסיות פתוגנים בעופות ובבעלי חיים אחרים באופן כללי לשתי קטגוריות: השפעות ישירות על אוכלוסיית הפתוגנים של המזון עצמו והשפעות עקיפות על פתוגנים המתיישבים במערכת העיכול של בעלי חיים לאחר צריכת המזון המטופל (20, 21, 104). ברור ששתי הקטגוריות הללו קשורות זו בזו, שכן הפחתה של פתוגנים במזון אמורה לגרום להפחתה בהתיישבות כאשר בעל החיים צורך את המזון. עם זאת, התכונות האנטי-מיקרוביאליות של חומצה מסוימת שנוספת למטריצת מזון יכולות להיות מושפעות ממספר גורמים, כגון הרכב המזון והצורה שבה מוסיפים את החומצה (21, 105).
מבחינה היסטורית, השימוש בחומצה פורמית ובחומצות קשורות אחרות התמקד בעיקר בבקרה ישירה של סלמונלה במזון לבעלי חיים ועופות (21). תוצאות המחקרים הללו סוכמו בפירוט במספר סקירות שפורסמו בזמנים שונים (18, 21, 26, 47, 104-106), כך שרק חלק מהממצאים המרכזיים ממחקרים אלה נדונים בסקירה זו. מספר מחקרים הראו כי הפעילות האנטי-מיקרוביאלית של חומצה פורמית במטריצות מזון תלויה במינון ובזמן החשיפה לחומצה פורמית, בתכולת הלחות של מטריצת המזון ובריכוז החיידקים במזון ובמערכת העיכול של בעל החיים (19, 21, 107-109). סוג מטריצת המזון ומקור מרכיבי המזון לבעלי חיים הם גם גורמים משפיעים. לפיכך, מספר מחקרים הראו שרמות סלמונלה רעלים חיידקיים המבודדים מתוצרי לוואי מן החי עשויות להיות שונות מאלה המבודדים מתוצרי לוואי מן הצומח (39, 45, 58, 59, 110-112). עם זאת, הבדלים בתגובה לחומצות כמו חומצה פורמית עשויים להיות קשורים להבדלים בהישרדות הסרובארים בתזונה ולטמפרטורה בה מעובד התזונה (19, 113, 114). הבדלים בתגובת הסרובארים לטיפול בחומצה עשויים גם הם להיות גורם בזיהום עופות במזון מזוהם (113, 115), והבדלים בביטוי גנים של ארסיות (116) עשויים גם הם למלא תפקיד. הבדלים בסבילות לחומצה עשויים בתורם להשפיע על גילוי סלמונלה במצע תרבית אם חומצות הנישאות במזון אינן מופחתות כראוי (21, 105, 117-122). הצורה הפיזית של התזונה (מבחינת גודל החלקיקים) עשויה גם היא להשפיע על הזמינות היחסית של חומצה פורמית במערכת העיכול (123).
אסטרטגיות לייעול הפעילות האנטי-מיקרוביאלית של חומצה פורמית שנוספה למזון הן גם קריטיות. ריכוזים גבוהים יותר של חומצה הוצעו עבור רכיבי מזון בעלי זיהום גבוה לפני ערבוב המזון כדי למזער נזק פוטנציאלי לציוד טחנת מזון ובעיות בטעם המזון לבעלי חיים (105). ג'ונס (51) הגיע למסקנה שסלמונלה הקיימת במזון לפני ניקוי כימי קשה יותר לשליטה מאשר סלמונלה במגע עם מזון לאחר טיפול כימי. טיפול תרמי במזון במהלך העיבוד בטחנת המזון הוצע כהתערבות להגבלת זיהום סלמונלה במזון, אך זה תלוי בהרכב המזון, גודל החלקיקים וגורמים אחרים הקשורים לתהליך הטחינה (51). הפעילות האנטי-מיקרוביאלית של חומצות תלויה גם בטמפרטורה, וטמפרטורות גבוהות בנוכחות חומצות אורגניות עשויות להיות בעלות השפעה מעכבת סינרגטית על סלמונלה, כפי שנצפה בתרביות נוזליות של סלמונלה (124, 125). מספר מחקרים על מזון מזוהם בסלמונלה תומכים ברעיון שטמפרטורות גבוהות מגבירות את יעילות החומצות במטריצת המזון (106, 113, 126). אמאדו ואח'. (127) השתמשו בתכנון מרוכב מרכזי כדי לחקור את האינטראקציה בין טמפרטורה וחומצה (חומצה פורמית או חומצה לקטית) ב-10 זנים של סלמונלה אנטריקה ואשריכיה קולי שבודדו ממגוון מזונות בקר והוכנסו לכדורי בקר מחומצנים. הם הסיקו שחום היה הגורם הדומיננטי המשפיע על הפחתת המיקרוביאלים, יחד עם חומצה וסוג הבידוד החיידקי. ההשפעה הסינרגטית עם חומצה עדיין שולטת, כך שניתן להשתמש בטמפרטורות נמוכות יותר ובריכוזי חומצה נמוכים יותר. עם זאת, הם ציינו גם כי לא תמיד נצפו השפעות סינרגטיות כאשר נעשה שימוש בחומצה פורמית, מה שהוביל אותם לחשוד שנדיפות של חומצה פורמית בטמפרטורות גבוהות יותר או השפעות חציצה של רכיבי מטריצת המזון היו גורם לכך.
הגבלת חיי המדף של מזון לפני האכלה לבעלי חיים היא דרך אחת לשלוט בהחדרת פתוגנים הנישאים במזון לגוף בעל החיים במהלך האכלה. עם זאת, לאחר שהחומצה במזון נכנסה למערכת העיכול, היא עשויה להמשיך להפעיל את פעילותה האנטי-מיקרוביאלית. הפעילות האנטי-מיקרוביאלית של חומרים חומציים הניתנים באופן אקסוגני במערכת העיכול עשויה להיות תלויה במגוון גורמים, כולל ריכוז חומצת הקיבה, האתר הפעיל של מערכת העיכול, רמת החומציות ותכולת החמצן של מערכת העיכול, גיל בעל החיים וההרכב היחסי של אוכלוסיית המיקרואורגניזמים במערכת העיכול (התלוי במיקום מערכת העיכול ובבגרות בעל החיים) (21, 24, 128-132). בנוסף, אוכלוסיית המיקרואורגניזמים האנאירוביים השוכנת במערכת העיכול (אשר הופכת לדומיננטית במערכת העיכול התחתונה של בעלי חיים בעלי קיבה אחת ככל שהם מתבגרים) מייצרת באופן פעיל חומצות אורגניות באמצעות תסיסה, אשר בתורה עשויה להיות גם בעלת השפעה אנטגוניסטית על פתוגנים חולפים הנכנסים למערכת העיכול (17, 19-21).
חלק ניכר מהמחקר המוקדם התמקד בשימוש בחומצות אורגניות, כולל פורמט, כדי להגביל את סלמונלה במערכת העיכול של עופות, דבר שנדון בפירוט במספר סקירות (12, 20, 21). כאשר בוחנים מחקרים אלה יחד, ניתן לערוך מספר תצפיות מרכזיות. מק'האן ושוטס (133) דיווחו כי הזנת חומצה פורמית וחומצה פרופיונית הפחיתה את רמות הסלמונלה טיפימוריום בצקום של תרנגולות שחוסנו בחיידק וכמתו אותן בגיל 7, 14 ו-21 ימים. עם זאת, כאשר יום ועמיתיו (128) ניטרו פרופיונאט המסומן ב-C-14, הם הגיעו למסקנה שמעט מאוד פרופיונאט בתזונה עשוי להגיע לצקום. נותר לקבוע האם זה נכון גם לגבי חומצה פורמית. עם זאת, לאחרונה בוראסה ועמיתיו... (134) דיווחו כי הזנת חומצה פורמית וחומצה פרופיונית הפחיתה את רמות הסלמונלה טיפימוריום בצקום של תרנגולות שחוסנו בחיידק, אשר נמדדו ככמותית בגיל 7, 14 ו-21 ימים. (132) ציינו כי הזנת חומצה פורמית במינון של 4 גרם/טון לתרנגולות ברוילר במהלך תקופת הגידול של 6 שבועות הפחיתה את ריכוז S. Typhimurium בצקום מתחת לרמת הגילוי.
נוכחות חומצה פורמית בתזונה עשויה להשפיע על חלקים אחרים של מערכת העיכול של עופות. אל-טרזי ואלשוואבקה (134) הדגימו כי תערובת של חומצה פורמית וחומצה פרופיונית יכולה להפחית את זיהום סלמונלה פולורום (S. PRlorum) בגידול ובמעי העצם. תומפסון והינטון (129) הבחינו כי תערובת זמינה מסחרית של חומצה פורמית וחומצה פרופיונית הגבירה את ריכוז שתי החומצות בגידול ובקורקבן והייתה קוטלת חיידקים כנגד סלמונלה אנטריטידיס PT4 במודל חוץ גופי בתנאי גידול מייצגים. רעיון זה נתמך על ידי נתונים in vivo של בירד ואחרים (135) שהוסיפו חומצה פורמית למי השתייה של תרנגולות פטם במהלך תקופת צום מדומה לפני המשלוח, בדומה לתרנגולות פטם בצום שעוברות לפני המשלוח למפעל לעיבוד עופות. הוספת חומצה פורמית למי השתייה הביאה לירידה במספר חיידקי S. Typhimurium בגידול ובאפידידימיס, ולירידה בתדירות הגידולים החיוביים ל-S. Typhimurium, אך לא במספר חיידקי האפידידימיס החיוביים (135). פיתוח מערכות הובלת חיידקים שיכולות להגן על חומצות אורגניות בזמן שהן פעילות במערכת העיכול התחתונה עשוי לסייע בשיפור היעילות. לדוגמה, מיקרו-קפסולציה של חומצה פורמית והוספתה למזון הוכחה כמפחיתה את מספר חיידקי הסלמונלה אנטריטידיס בתוכן הצקאמה (136). עם זאת, הדבר עשוי להשתנות בהתאם למין החיה. לדוגמה, וואליה ועמיתיו (137) לא הבחינו בירידה בסלמונלה בצקאמה או בבלוטות הלימפה של חזירים בני 28 יום שניזונו מתערובת של חומצה פורמית, חומצת לימון וקפסולות שמן אתרי, ולמרות שהפרשת הסלמונלה בצואה פחתה ביום 14, היא לא פחתה ביום 28. הם הראו כי נמנעה העברה אופקית של סלמונלה בין חזירים.
למרות שמחקרים על חומצה פורמית כחומר אנטי-מיקרוביאלי בגידול בעלי חיים התמקדו בעיקר בסלמונלה הנישאת במזון, ישנם גם כמה מחקרים המכוונים לפתוגנים אחרים במערכת העיכול. מחקרים במבחנה של קובנדה ועמיתיו (68) מצביעים על כך שחומצה פורמית עשויה להיות יעילה גם כנגד פתוגנים אחרים במערכת העיכול הנישאים במזון, כולל אשריכיה קולי וקמפילובקטר ג'ג'וני. מחקרים קודמים הראו שחומצות אורגניות (למשל, חומצה לקטית) ותערובות מסחריות המכילות חומצה פורמית כמרכיב יכולות להפחית את רמות הקמפילובקטר בעופות (135, 138). עם זאת, כפי שצוין בעבר על ידי בייר ועמיתיו (67), השימוש בחומצה פורמית כחומר אנטי-מיקרוביאלי כנגד קמפילובקטר עשוי לדרוש זהירות. ממצא זה בעייתי במיוחד עבור תוספי תזונה בעופות מכיוון שחומצה פורמית היא מקור האנרגיה העיקרי לנשימה עבור C. jejuni. יתר על כן, חלק מהנישה במערכת העיכול שלה נחשבת כנובעת מהזנה צולבת מטבולית עם תוצרי תסיסה חומציים מעורבים המיוצרים על ידי חיידקי מערכת העיכול, כגון פורמט (139). לדעה זו יש בסיס מסוים. מכיוון שפורמט הוא חומר כימואטרקטיבי עבור C. jejuni, מוטציות כפולות עם פגמים הן בפורמט דהידרוגנאז והן בהידרוגנאז סובלות משיעורי התיישבות צקלית נמוכים יותר אצל תרנגולות ברוילר בהשוואה לזני C. jejuni מסוג בר (140, 141). עדיין לא ברור באיזו מידה תוספת חומצה פורמית חיצונית משפיעה על התיישבות מערכת העיכול על ידי C. jejuni אצל תרנגולות. ריכוזי הפורמט בפועל במערכת העיכול עשויים להיות נמוכים יותר עקב קטבוליזם של פורמט על ידי חיידקים אחרים במערכת העיכול או ספיגת פורמט במערכת העיכול העליונה, כך שמספר משתנים עשויים להשפיע על כך. בנוסף, פורמט הוא תוצר תסיסה פוטנציאלי המיוצר על ידי כמה חיידקים במערכת העיכול, דבר שעשוי להשפיע על רמות הפורמט הכוללות במערכת העיכול. כימות פורמט בתכולת מערכת העיכול וזיהוי גנים של פורמט דהידרוגנאז באמצעות מטאגנומיקה עשויים לשפוך אור על כמה היבטים של האקולוגיה של מיקרואורגניזמים המייצרים פורמט.
רות' ועמיתיו (142) השוו את ההשפעות של הזנת תרנגולות פטם באנרופלוקססין האנטיביוטי או בתערובת של חומצות פורמיות, אצטיות ופרופוניות על שכיחות חיידקי אשריכיה קולי עמידים לאנטיביוטיקה. סך כל החיידקים המבודדים מחיידקי אי קולי ועמידים לאנטיביוטיקה נספרו בדגימות צואה מאוחדות מתרנגולות פטם בנות יום אחד ובדגימות תכולת הצואה מתרנגולות פטם בנות 14 ו-38 יום. חיידקי אי קולי נבדקו לעמידות לאמפיצילין, צפוטקסים, ציפרופלוקסצין, סטרפטומיצין, סולפמתוקסאזול וטטרציקלין בהתאם לנקודות שבירה שנקבעו מראש עבור כל אנטיביוטיקה. כאשר אוכלוסיות ה-E. coli בהתאמה כומתו ואופיינו, לא אנרופלוקססין ולא תוספת חומצות לא שינו את המספרים הכוללים של חיידקי אי קולי שבודדו מצואה של תרנגולות פטם בנות 17 ו-28 יום. ציפורים שניזונו מתזונה בתוספת אנרופלוקססין הראו רמות גבוהות יותר של חיידקי אי קולי עמידים לציפרופלוקסצין, סטרפטומיצין, סולפמתוקסאזול וטטרציקלין, ורמות נמוכות יותר של חיידקי אי קולי עמידים לצפוטקסים בצקעום. ציפורים שניזונו מהתערובת החמצנית הראו מספר מופחת של חיידקי אי קולי עמידים לאמפיצילין וטטרציקלין בצקעום בהשוואה לקבוצת ביקורת ולציפורים שקיבלו תוספת אנרופלוקססין. ציפורים שניזונו מהחומצה המעורבת גם ראו ירידה במספר חיידקי אי קולי עמידים לציפרופלוקסצין וסולפמתוקסאזול בצקעום בהשוואה לציפורים שניזונו מאנרופלוקססין. המנגנון שבו חומצות מפחיתות את מספר חיידקי אי קולי העמידים לאנטיביוטיקה מבלי להפחית את המספר הכולל של חיידקי אי קולי עדיין אינו ברור. עם זאת, תוצאות המחקר של רות' ועמיתיו עולות בקנה אחד עם אלו של קבוצת האנרופלוקססין. (142) זה עשוי להיות אינדיקציה להפצה מופחתת של גנים עמידים לאנטיביוטיקה ב-E. coli, כגון מעכבים המקושרים לפלסמידים שתוארו על ידי קבזון ועמיתיו (143). יהיה מעניין לערוך ניתוח מעמיק יותר של עמידות לאנטיביוטיקה בתיווך פלסמידים באוכלוסיית העופות במערכת העיכול בנוכחות תוספי מזון כגון חומצה פורמית, ולחדד עוד יותר ניתוח זה על ידי הערכת העמידות במערכת העיכול.
פיתוח תוספי מזון אופטימליים אנטי-מיקרוביאליים כנגד פתוגנים צריך באופן אידיאלי להיות בעל השפעה מינימלית על הפלורה הכללית של מערכת העיכול, במיוחד על המיקרוביוטה הנחשבת מועילה לפונדקאי. עם זאת, חומצות אורגניות הניתנות באופן אקסוגני יכולות להיות בעלות השפעות מזיקות על המיקרוביוטה של ​​מערכת העיכול המקומית ובמידה מסוימת לשלול את תכונותיהן המגנות כנגד פתוגנים. לדוגמה, תומפסון והינטון (129) הבחינו בירידה ברמות חומצת החלב בגידולים אצל תרנגולות מטילות שניזונו מתערובת של חומצות פורמיות ופרופוניות, דבר המצביע על כך שנוכחותן של חומצות אורגניות אקסוגניות אלו בגידול הביאה לירידה בכמות חיידקי החלב בגידולים. חיידקי החלב בגידולים נחשבים למחסום לסלמונלה, ולכן שיבוש המיקרוביוטה המקומית של גידולים אלה עלול להזיק להפחתה מוצלחת של התיישבות סלמונלה במערכת העיכול (144). אצ'יקגוז ועמיתיו מצאו כי ההשפעות על מערכת העיכול התחתונה של ציפורים עשויות להיות נמוכות יותר. (145) לא נמצאו הבדלים בפלורת המעי הכוללת או בספירת אשריכיה קולי אצל תרנגולות ברוילר בנות 42 יום ששתו מים מחומצנים בחומצה פורמית. המחברים הציעו כי ייתכן שזה נובע מפורמט שעובר מטבוליזם במערכת העיכול העליונה, כפי שנצפה על ידי חוקרים אחרים עם חומצות שומן קצרות שרשרת (SCFA) הניתנות באופן אקסוגני (128, 129).
הגנה על חומצה פורמית באמצעות צורה כלשהי של אנקפסולציה עשויה לסייע לה להגיע למערכת העיכול התחתונה. (146) ציינו כי חומצה פורמית אנקפסולרית במיקרו-קפסולה הגדילה משמעותית את תכולת חומצות השומן הקצרות (SCFA) הכוללת בצקום של חזירים בהשוואה לחזירים שניזונו מחומצה פורמית לא מוגנת. תוצאה זו הובילה את המחברים להציע כי חומצה פורמית עשויה להגיע ביעילות למערכת העיכול התחתונה אם היא מוגנת כראוי. עם זאת, מספר פרמטרים אחרים, כגון ריכוזי פורמט ולקטט, למרות שהיו גבוהים מאלה שבחזירים שניזונו מדיאטת ביקורת, לא היו שונים סטטיסטית מאלה שבחזירים שניזונו מדיאטת פורמט לא מוגנת. למרות שחזירים שניזונו מחומצה פורמית לא מוגנת וגם מוגנת הראו עלייה כמעט פי שלושה בחומצת חלב, ספירת הלקטובצילים לא השתנו על ידי אף אחד מהטיפולים. ההבדלים עשויים להיות בולטים יותר עבור מיקרואורגניזמים אחרים המייצרים חומצת חלב בצקום (1) שאינם מזוהים על ידי שיטות אלה ו/או (2) שפעילותם המטבולית מושפעת, ובכך משנים את דפוס התסיסה כך שלקטובצילים תושבים מייצרים יותר חומצת חלב.
כדי לחקור בצורה מדויקת יותר את השפעות תוספי מזון על מערכת העיכול של חיות משק, יש צורך בשיטות זיהוי מיקרוביאליות ברזולוציה גבוהה יותר. בשנים האחרונות, ריצוף הדור הבא (NGS) של הגן 16S RNA שימש לזיהוי טקסונים של המיקרוביום ולהשוואת מגוון קהילות המיקרוביאליות (147), מה שסיפק הבנה טובה יותר של האינטראקציות בין תוספי מזון תזונתיים למיקרוביוטה במערכת העיכול של חיות מזון כגון עופות.
מספר מחקרים השתמשו בריצוף מיקרוביום כדי להעריך את תגובת המיקרוביום במערכת העיכול של העוף לתוספת פורמטים. אוקלי ועמיתיו (148) ערכו מחקר בתרנגולות ברוילר בנות 42 יום שקיבלו תוספת של שילובים שונים של חומצה פורמית, חומצה פרופיונית וחומצות שומן בינוניות במי השתייה או במזון שלהן. תרנגולות מחוסנות עברו אתגור עם זן סלמונלה טיפימוריום עמיד לחומצה נלידיקסית והצקא שלהן הוסרו בגילאי 0, 7, 21 ו-42 ימים. דגימות צקאליות הוכנו ל-454 פירו-ריצוף ותוצאות הריצוף הוערכו לצורך סיווג והשוואת דמיון. בסך הכל, הטיפולים לא השפיעו באופן משמעותי על המיקרוביום של הצקאליות או על רמות S. Typhimurium. עם זאת, שיעורי גילוי הסלמונלה הכוללים ירדו ככל שהעופות הזדקנו, כפי שאושר על ידי ניתוח טקסונומי של המיקרוביום, וגם השפע היחסי של רצפי סלמונלה ירד עם הזמן. המחברים מציינים שככל שהברוילרים הזדקנו, כך גדל מגוון אוכלוסיית המיקרוביאלים הצקליים, כאשר השינויים המשמעותיים ביותר נצפו בפלורה במערכת העיכול בכל קבוצות הטיפול. במחקר שנערך לאחרונה, הו ועמיתיו (149) השוו את ההשפעות של שתיית מים והאכלת תזונה בתוספת תערובת של חומצות אורגניות (חומצה פורמית, חומצה אצטית, חומצה פרופיונית ופורמט אמוניום) ווירג'יניאמיצין על דגימות מיקרוביום צקליים מעופות פטם שנאספו בשני שלבים (1-21 ימים ו-22-42 ימים). למרות שנצפו הבדלים מסוימים במגוון המיקרוביום הצקלי בין קבוצות הטיפול בגיל 21 ימים, לא זוהו הבדלים במגוון חיידקי α או β בגיל 42 ימים. בהינתן היעדר הבדלים בגיל 42 ימים, המחברים שיערו כי היתרון בגדילה עשוי להיות נובע מהתבססות מוקדמת יותר של מיקרוביום מגוון אופטימלי.
ניתוח מיקרוביום המתמקד רק בקהילת המיקרוביאלים הצקלית עשוי לא לשקף היכן במערכת העיכול מתרחשות רוב ההשפעות של חומצות אורגניות תזונתיות. המיקרוביום במערכת העיכול העליונה של תרנגולות ברוילר עשוי להיות רגיש יותר להשפעות של חומצות אורגניות תזונתיות, כפי שמצביעים תוצאותיהם של Hume et al. (128). Hume et al. (128) הראו שרוב הפרופונאט שנוסף באופן אקסוגני נספג במערכת העיכול העליונה של עופות. מחקרים אחרונים על אפיון מיקרואורגניזמים במערכת העיכול תומכים גם הם בדעה זו. Nava et al. (150) הראו ששילוב של תערובת של חומצות אורגניות [DL-2-hydroxy-4(methylthio)butyric acid], חומצה פורמית וחומצה פרופיונית (HFP) השפיע על המיקרוביוטה של ​​המעיים והגביר את התיישבות הלקטובצילוס באילאום של תרנגולות. לאחרונה, Goodarzi Borojeni et al. (150) הדגימו כי שילוב של תערובת חומצות אורגניות [DL-2-hydroxy-4(methylthio)butyric acid], חומצה פורמית וחומצה פרופיונית (HFP) השפיע על המיקרוביוטה של ​​המעי והגביר את התיישבות הלקטובצילוס באילאום של תרנגולות. (151) חקרו הזנת תרנגולות ברוילר בתערובת של חומצה פורמית וחומצה פרופיונית בשני ריכוזים (0.75% ו-1.50%) במשך 35 ימים. בסוף הניסוי, הוצאו היבול, הקיבה, שני שלישים דיסטליים של האילאום והצעקום ונלקחו דגימות לניתוח כמותי של פלורת מערכת העיכול ומטבוליטים ספציפיים באמצעות RT-PCR. בתרבית, ריכוז החומצות האורגניות לא השפיע על שפע הלקטובצילוס או הביפידובקטריום, אך הגדיל את אוכלוסיית הקלוסטרידיום. באילאום, השינויים היחידים היו ירידה בלקטובצילוס ואנטרובקטר, בעוד שבצעקום פלורה זו נותרה ללא שינוי (151). בריכוז הגבוה ביותר של תוספת חומצה אורגנית, ריכוז חומצת החלב הכולל (D ו-L) ירד בגידול, ריכוז שתי החומצות האורגניות ירד בקורקבן, וריכוז החומצות האורגניות היה נמוך יותר בצקום. לא היו שינויים באיליום. באשר לחומצות שומן קצרות שרשרת (SCFAs), השינוי היחיד בגידול ובקורקבן של עופות שניזונו מחומצות אורגניות היה ברמת הפרופיונאט. עופות שניזונו מריכוז נמוך יותר של חומצה אורגנית הראו עלייה של כמעט פי עשרה בפרופיונאט בגידול, בעוד שעופות שניזונו משני ריכוזי חומצה אורגנית הראו עלייה של פי שמונה ופי חמישה עשר בפרופיונאט בקורקבן, בהתאמה. העלייה באצטאט באיליום הייתה פחות מפי שניים. בסך הכל, נתונים אלה תומכים בדעה שרוב ההשפעות של יישום חיצוני של חומצה אורגנית ניכרות בתנובה, בעוד שלחומצות אורגניות היו השפעות מינימליות על קהילת המיקרוביאלים במערכת העיכול התחתונה, דבר המצביע על כך שדפוסי התסיסה של הפלורה השוכנת במערכת העיכול העליונה עשויים להיות שונים.
ברור כי נדרש אפיון מעמיק יותר של המיקרוביום כדי להבהיר באופן מלא את התגובות המיקרוביאליות לפורמטים ברחבי מערכת העיכול. ניתוח מעמיק יותר של הטקסונומיה המיקרוביאלית של מדורים ספציפיים במערכת העיכול, ובמיוחד מדורים עליונים כמו היבול, עשוי לספק תובנות נוספות לגבי הבחירה של קבוצות מסוימות של מיקרואורגניזמים. הפעילות המטבולית והאנזימטית שלהם עשויה גם לקבוע האם יש להם קשר אנטגוניסטי עם פתוגנים הנכנסים למערכת העיכול. יהיה מעניין גם לערוך ניתוחים מטאגנומיים כדי לקבוע האם חשיפה לתוספים כימיים חומציים במהלך חיי הציפורים בוחרת חיידקים תושבים "סבילים יותר לחומצה", והאם נוכחותם ו/או פעילותם המטבולית של חיידקים אלה יהוו מחסום נוסף להתיישבות פתוגנים.
חומצה פורמית משמשת מזה שנים רבות כתוסף כימי במזון לבעלי חיים וכמחמצן תחמיץ. אחד השימושים העיקריים שלה הוא פעולתה האנטי-מיקרוביאלית להגבלת מספר הפתוגנים במזון והתיישבותם לאחר מכן במערכת העיכול של עופות. מחקרים במבחנה הראו שחומצה פורמית היא חומר אנטי-מיקרוביאלי יעיל יחסית כנגד סלמונלה ופתוגנים אחרים. עם זאת, השימוש בחומצה פורמית במטריצות מזון עשוי להיות מוגבל על ידי הכמות הגבוהה של חומר אורגני במרכיבי המזון ויכולת החציצה הפוטנציאלית שלהם. נראה כי לחומצה פורמית יש השפעה אנטגוניסטית על סלמונלה ופתוגנים אחרים כאשר היא נבלעת דרך מזון או מי שתייה. עם זאת, אנטגוניזם זה מתרחש בעיקר במערכת העיכול העליונה, מכיוון שריכוזי חומצה פורמית עשויים להיות מופחתים במערכת העיכול התחתונה, כפי שקורה עם חומצה פרופיונית. הרעיון של הגנה על חומצה פורמית באמצעות אנקפסולציה מציע גישה פוטנציאלית לאספקת חומצה רבה יותר למערכת העיכול התחתונה. יתר על כן, מחקרים הראו כי תערובת של חומצות אורגניות יעילה יותר בשיפור ביצועי עופות מאשר מתן חומצה בודדת (152). קמפילובקטר במערכת העיכול עשוי להגיב בצורה שונה לפורמט, מכיוון שהוא יכול להשתמש בפורמט כתורם אלקטרונים, ופורמט הוא מקור האנרגיה העיקרי שלו. לא ברור האם הגדלת ריכוזי הפורמט במערכת העיכול תועיל לקמפילובקטר, וייתכן שזה לא יקרה בהתאם לפלורה אחרת במערכת העיכול שיכולה להשתמש בפורמט כמצע.
יש צורך במחקרים נוספים כדי לחקור את השפעות חומצה פורמית במערכת העיכול על חיידקים שאינם פתוגניים במערכת העיכול. אנו מעדיפים למקד באופן סלקטיבי פתוגנים מבלי לשבש חברים במיקרוביום במערכת העיכול המועילים למארח. עם זאת, הדבר דורש ניתוח מעמיק יותר של רצף המיקרוביום של קהילות חיידקים אלו במערכת העיכול. למרות שפורסמו מספר מחקרים על המיקרוביום הצקלי של ציפורים שטופלו בחומצה פורמית, יש צורך בתשומת לב רבה יותר לקהילת החיידקים במערכת העיכול העליונה. זיהוי מיקרואורגניזמים והשוואת קווי דמיון בין קהילות חיידקים במערכת העיכול בנוכחות או בהיעדר חומצה פורמית עשויים להיות תיאור חלקי. יש צורך בניתוחים נוספים, כולל מטבולומיקה ומטאגנומיקה, כדי לאפיין הבדלים תפקודיים בין קבוצות דומות מבחינה הרכבית. אפיון כזה הוא קריטי כדי לבסס את הקשר בין קהילת החיידקים במערכת העיכול לבין תגובות ביצועי הציפורים למשפרים מבוססי חומצה פורמית. שילוב גישות מרובות לאפיון מדויק יותר של תפקוד מערכת העיכול אמור לאפשר פיתוח אסטרטגיות יעילות יותר לתוספת חומצה אורגנית ובסופו של דבר לשפר את התחזיות לבריאות וביצועים אופטימליים של ציפורים תוך הגבלת סיכוני בטיחות המזון.
SR כתב סקירה זו בסיוע DD ו-KR. כל המחברים תרמו תרומה משמעותית לעבודה המוצגת בסקירה זו.
המחברים מצהירים כי סקירה זו קיבלה מימון מחברת Anitox ליזום כתיבתה ופרסומה. למממנים לא הייתה השפעה על הדעות והמסקנות המובעות במאמר סקירה זה או על ההחלטה לפרסמו.
שאר המחברים מצהירים כי המחקר נערך בהיעדר כל קשר מסחרי או פיננסי שעלול להתפרש כניגוד עניינים פוטנציאלי.
ד"ר די.די. מבקש להודות על תמיכתו של בית הספר לתארים מתקדמים של אוניברסיטת ארקנסו באמצעות מלגת הוראה מצטיינת, כמו גם על תמיכה מתמשכת מתוכנית הביולוגיה התאית והמולקולרית של אוניברסיטת ארקנסו וממחלקת מדעי המזון. בנוסף, המחברים רוצים להודות לחברת Anitox על התמיכה הראשונית בכתיבת סקירה זו.
1. דיבנר ג'יי ג'יי, ריצ'רדס ג'יי די. שימוש במקדמי גדילה אנטיביוטיים בחקלאות: היסטוריה ומנגנוני פעולה. מדעי העופות (2005) 84:634–43. doi: 10.1093/ps/84.4.634
2. ג'ונס פ.ט., ריק ס.ק. היסטוריה של פיתוח ומעקב אחר חומרים אנטי-מיקרוביאליים במזון לעופות. מדעי העופות (2003) 82:613–7. doi: 10.1093/ps/82.4.613
3. Broom LJ. תיאוריה תת-מעכבת של מקדמי גדילה אנטיביוטיים. Poultry Science (2017) 96:3104–5. doi: 10.3382/ps/pex114
4. סורום ה', ל'אבה-לונד TM. עמידות לאנטיביוטיקה בחיידקים הנישאים במזון - השלכות של שיבושים ברשתות גנטיות חיידקיות גלובליות. כתב העת הבינלאומי למיקרוביולוגיה של מזון (2002) 78:43–56. doi: 10.1016/S0168-1605(02)00241-6
5. Van Immerseel F, Cauwaerts K, Devriese LA, Heesebroek F, Ducatel R. תוספי מזון לשליטה בסלמונלה במזון. כתב העת העולמי למדעי העופות (2002) 58:501–13. doi: 10.1079/WPS20020036
6. אנגולו FJ, בייקר NL, אולסן SJ, אנדרסון A, בארט TJ. שימוש באנטיבקטריאלי בחקלאות: שליטה בהעברת עמידות לאנטיביוטיקה לבני אדם. סמינרים במחלות זיהומיות בילדים (2004) 15:78–85. doi: 10.1053/j.spid.2004.01.010
7. לקשמי מ', אמיני פ', קומאר ס', ורלה מ'. סביבות ייצור מזון והתפתחות עמידות לאנטי-מיקרוביאלים בפתוגנים אנושיים שמקורם בבעלי חיים. מיקרוביולוגיה (2017) 5:11. doi: 10.3390/microorganisms5010011
8. לורנסו ג'.מ., זיידל ד.ס., קאלאוויי ט.ר. פרק 9: אנטיביוטיקה ותפקוד המעיים: היסטוריה ומצב נוכחי. בתוך: ריקה ס.ק., עורך. שיפור בריאות המעיים בעופות. קיימברידג': ברלי דוד (2020). עמודים 189–204. DOI: 10.19103/AS2019.0059.10
9. ריק SC. מס' 8: היגיינת מזון. בתוך: Dewulf J, van Immerzeel F, eds. ביו-ביטחון בייצור בעלי חיים ורפואה וטרינרית. לובן: ACCO (2017). עמודים 144–76.