آنالیز میکروسکوپ الکترونی کاه گندم عمل اوری نشده و پرتوتابی شده با پرتو بیم الکترون پیش و پس از انکوباسیون میکروبی در شکمبه گوسفند
الموضوعات :حسین زادگی-میرزائی 1 , پروین شورنگ 2 , فرحناز معتمدی سده 3 , محمد چمنی 4 , مهدی امین افشار 5
1 - دانشجوی دوره دکتری تخصصی، گروه علوم دامی، واحد علوم و تحقيقات، دانشگاه آزاد اسلامي، تهران، ايران
2 - دانشیار، پژوهشکده تحقیقات کشاورزی هسته ای، پژوهشگاه علوم و فنون هسته ای، کرج، ایران
3 - دانشیار، پژوهشکده تحقیقات کشاورزی هسته ای، پژوهشگاه علوم و فنون هسته ای، کرج، ایران
4 - استاد، گروه علوم دامی، واحد علوم و تحقيقات، دانشگاه آزاد اسلامي، تهران، ايران
5 - استادیار، گروه علوم دامی، واحد علوم و تحقيقات، دانشگاه آزاد اسلامي، تهران، ايران
الکلمات المفتاحية: پرتوتابی, بیم الکترون, باکتری های فیبرولیتیک, هضم پذیری, دیواره سلولی,
ملخص المقالة :
هدف: افزیش هضم پذیری الیاف مواد خشبی در شکمبه و در کل دستگاه گوارش دام ها برای بهبود بهره وری از منابع خوراکی اهمیت زیادی دارد. یکی از روش ها برای این منظور پرتوتابی بیم الکترون است. برای یافتن دلیل افزایش هضم¬پذیری در این روش، وضعیت ساختاری مواد خشبی قبل و بعد از عمل آوری و همچنین طی انکوباسیون در شکمبه دام های نشخوارکننده لازم است با میکروسکوپ الکترونی بررسی شود. پژوهش حاضر با هدف مطالعه اثر پرتو الکترون بر ساختار میکروسکوپی الیاف کاه گندم، فراوانی نسبی باکتری های فیبرولیتیک و مقدار هضم پذیری در کل دستگاه گوارش گوسفند انجام شد. مواد و روش ها: نمونه های کاه گندم مورد پرتوتابی بیم الکترون با قدرت پرتو الکترون 10 مگا الکترون ولت و جریان باریکه الکترون 6 میلی آمپر با دوزهای 250 و 500 کیلوگری قرار گرفتند. نمونه ها درون کیسه نایلونی ریخته شد و در شکمبه به مدت 12 ساعت در معرض میکروب ها قرار گرفت. ساختار دیواره سلولی قبل و بعد از پرتوتابی و همچنین قبل و بعد از انکوباسیون در شکمبه با میکروسکوپ الکترونی نگاره تصویربرداری و آنالیز شد. فراوانی نسبی باکتری های هضم¬کننده الیاف با تکنیک واکنش زنجیره ای پلیمراز و الکتروفورز افقی مورد ارزیابی قرار گرفت. نتایج: فراوانی نسبی رومینوکوکوس فلاوفاسینس و فیبروباکتر سوکسینوژنز در شکمبه با پرتوتابی کاه گندم افزایش معنی داری نشان داد (05/0P). پرتوتابی الکترون سبب افزایش (05/0P<) قابلیت هضم ماده خشك کاه گندم شد و با افزایش دز پرتوتابی این افزایش بیشتر بود (05/0P<)، به نحوی که دز 500 کیلوگری بیشترین تأثیر را در افزایش قابلیت هضم ماده خشک کاه گندم داشت. بنابر نتایج میکروسکوپ الکترونی نگاره، افزایش دوز بیم الکترون سبب تخریب بیشتر ساختارهای دیواره سلولی و افزایش نفوذپذیری باکتری های فیبرولیتیک در بخش های درونی ساختار مواد خشبی می شود. افزایش نفوذپذیری باکتری های هضم کننده الیاف در نهایت سبب افزایش دسترسی به سوبسترا و افزایش فراوانی نسبی باکتری ها و هضم بهتر الیاف شد. نتیجه گیری: پرتوتابی بیم الکترون در دوز 250 کیلوگری می تواند سبب تغییر ساختار دیواره سلولی و بهبود هضم پذیری کاه گندم شود. افزایش دوز به 500 کیلوگری سبب بیشتر شدن به هم ریختگی ساختار دیواره سلولی، افزایش فراوانی نسبی باکتری های فیبرولیتیک و افزایش هضم پذیری کاه گندم می شود.
1. Hendriks AT, Zeeman G. Pretreatments to enhance the digestibility of lignocellulosic biomass. Bioresource technology. 2009 Jan 1;100(1):10-8.
2. Guo W, Guo XJ, Xu LN, Shao LW, Zhu BC, Liu H, Wang YJ, Gao KY. Effect of whole-plant corn silage treated with lignocellulose-degrading bacteria on growth performance, rumen fermentation, and rumen microflora in sheep. Animal. 2022 Jul 1; 16(7):100576.
3. Houfani AA, Anders N, Spiess AC, Baldrian P, Benallaoua S. Insights from enzymatic degradation of cellulose and hemicellulose to fermentable sugars–a review. Biomass and Bioenergy. 2020 Mar 1; 134:105481.
4. Weng C, Peng X, Han Y. Depolymerization and conversion of lignin to value-added bioproducts by microbial and enzymatic catalysis. Biotechnology for Biofuels. 2021 Dec; 14(1):1-22.
5. Ginting SP. Processing technologies of lignocellulosic biomass: potentials and constraints for ruminant feed production. WARTAZOA. Indonesian Bulletin of Animal and Veterinary Sciences. 2021 Jun 26; 31(2):55-66.
6. Gallego-García M, Moreno AD, Manzanares P, Negro MJ, Duque A. Recent advances on physical technologies for the pretreatment of food waste and lignocellulosic residues. Bioresource Technology. 2023 Feb 1; 369:128397.
7. Østby H, Hansen LD, Horn SJ, Eijsink VG, Várnai A. Enzymatic processing of lignocellulosic biomass: principles, recent advances and perspectives. Journal of Industrial Microbiology & Biotechnology: Official Journal of the Society for Industrial Microbiology and Biotechnology. 2020 Oct 1; 47(9-10):623-57.
8. Van Kuijk SJ, Sonnenberg AS, Baars JJ, Hendriks WH, Cone JW. Fungal treated lignocellulosic biomass as ruminant feed ingredient: a review. Biotechnology advances. 2015 Jan 1; 33(1):191-202.
9. Bak JS. Electron beam irradiation enhances the digestibility and fermentation yield of water-soaked lignocellulosic biomass. Biotechnology Reports. 2014 Dec 1; 4:30-3.
10. Gryczka U, Migdal W, Chmielewska D, Antoniak M, Kaszuwara W, Jastrzebska A, Olszyna A. Examination of changes in the morphology of lignocellulosic fibers treated with e-beam irradiation. Radiation Physics and Chemistry. 2014 Jan 1; 94:226-30.
11. Shawrang P, Majdabadi A, Sadeghi AA. Changes in cell wall compositions and degradation kinetics of electron beam-irradiated sugarcane bagasse. Turkish Journal of Veterinary & Animal Sciences. 2012; 36(5):527-32.
12. Kim DY, Lee BM, Lee JY, Kang PH, Jeun JP. Electron beam irradiation and dilute alkali pretreatment for improving saccharification of rice straw. Journal of the Korean Society for Applied Biological Chemistry. 2014 Oct; 57:591-5.
13. Fei X, Jia W, Wang J, Chen T, Ling Y. Study on enzymatic hydrolysis efficiency and physicochemical properties of cellulose and lignocellulose after pretreatment with electron beam irradiation. International journal of biological macromolecules. 2020 Feb 15; 145:733-9.
14. Inkson BJ. Scanning electron microscopy (SEM) and transmission electron microscopy (TEM) for materials characterization. InMaterials characterization using nondestructive evaluation (NDE) methods 2016 Jan 1 (pp. 17-43). Woodhead publishing.
15. Shawrang P, Sadeghi AA, Ahmadpanah J. Ruminal degradation kinetics of wheat straw irradiated by high doses of electron beam. Iranian Journal of Applied Animal Science (2013) 3(1), 25-29.
16. AOAC. Official Methods of Analysis. 18th ed. Association of Official Analytical Chemists, Washington, DC. USA. 2005.
17. Van Soest PV, Robertson JB, Lewis BA. Methods for dietary fiber, neutral detergent fiber, and nonstarch polysaccharides in relation to animal nutrition. Journal of dairy science. 1991 Oct 1; 74(10):3583-97.
18. Kase KR, Adler GJ, Bjärngard BE. Comparisons of electron beam dose measurements in water and polystyrene using various dosimeters. Medical Physics. 1982 Jan; 9(1):13-9.
19. Nocek JE, English JE. In situ degradation kinetics: Evaluation of rate determination procedure. Journal of Dairy Science. 1986 Jan 1; 69(1):77-87.
20. Koike S, Kobayashi Y. Development and use of competitive PCR assays for the rumen cellulolytic bacteria: Fibrobacter succinogenes, Ruminococcus albus and Ruminococcus flavefaciens. FEMS microbiology letters. 2001 Nov 1; 204(2):361-6.
21. Torrent J, Johnson DE, Kujawa MA. Co-product fiber digestibility: kinetic and in vivo assessment. Journal of Animal Science. 1994 Mar 1; 72(3):790-5.
22. Alwani MS, Khalil HA, Islam N, Sulaiman O, Zaidon A, Dungani R. Microstructural study, tensile properties, and scanning electron microscopy fractography failure analysis of various agricultural residue fibers. Journal of Natural Fibers. 2015 Mar 4; 12(2):154-68.
23. Steel RG, Torrie JH. Principles and procedures of statistics: a biometrical approach. New York, NY, USA: McGraw-Hill; 1986.
24. Tabatabaie N, Fathi Nasri MH, Farhangfar H, Riasi A. Effect of electron-beam irradiation on nutritional value of Atriplex stem. Journal of Livestock Research. 2014 Mar 21; 2(2):19-28.
25. Leskinen T, Kelley SS, Argyropoulos DS. E-beam irradiation & steam explosion as biomass pretreatment, and the complex role of lignin in substrate recalcitrance. Biomass and Bioenergy. 2017 Aug 1; 103:21-8.
26. Takacs E, Wojnarovits L, Földváry C, Hargittai P, Borsa J, Sajo I. Effect of combined gamma-irradiation and alkali treatment on cotton–cellulose. Radiation Physics and Chemistry. 2000 Mar 1; 57(3-6):399-403.
27. Al-Masri MR. In vitro digestible energy of some agricultural residues, as influenced by gamma irradiation and sodium hydroxide. Applied Radiation and Isotopes. 1999 Feb 1; 50(2):295-301.
28. Alberti A, Bertini S, Gastaldi G, Iannaccone N, Macciantelli D, Torri G, Vismara E. Electron beam irradiated textile cellulose fibres.: ESR studies and derivatisation with glycidyl methacrylate (GMA). European Polymer Journal. 2005 Aug 1; 41(8):1787-97.
29. Al-Masri MR, Zarkawi M. Effects of gamma irradiation on chemical compositions of some agricultural residues. Radiation Physics and Chemistry. 1994 Mar 1; 43(3):257-60.
30. Dubey KA, Pujari PK, Ramnani SP, Kadam RM, Sabharwal S. Microstructural studies of electron beam-irradiated cellulose pulp. Radiation Physics and Chemistry. 2004 Apr 1; 69(5):395-400.
31. Zhang L, Larsson A, Moldin A, Edlund U. Comparison of lignin distribution, structure, and morphology in wheat straw and wood. Industrial Crops and Products. 2022 Nov 1; 187:115432.
32. Angers DA, Recous S. Decomposition of wheat straw and rye residues as affected by particle size. Plant and soil. 1997 Feb; 189:197-203.
33. Shahbazi HR, Sadeghi AA, Fazaeli H, Raisali G, Chamani M, Shawrang P. Effects of electron beam irradiation on dry matter degradation of wheat straw in the rumen. Pakistan Journal of Biological Sciences: PJBS. 2008 Feb 1; 11(4):676-9.
