Моделирование системы снижения заболеваемости коров маститом для условий Северных и Арктических регионов России
Моделирование системы снижения заболеваемости коров маститом для условий Северных и Арктических регионов России
Аннотация
Статья посвящена актуальной проблеме отрасли разведения, селекции, генетики и биотехнологии молочного скота — заболеваемости коров маститом. Повысить эффективности разведения молочного скота в условиях Северных и Арктических регионов России можно путем обоснования комплексных решений по снижения заболеваемости коров маститом. В связи с чем целью исследования является моделирование системы снижения заболеваемости коров маститом, учитывающей особенности ведения молочного скотоводства в Северных и Арктических регионах России. Задачами исследования являются: разработка математической модели системы снижения заболеваемости коров маститом, учитывающую особенности ведения молочного скотоводства в Северных и Арктических регионах России; декомпозиция компонентов модели системы снижения заболеваемости коров маститом; построение структурно-функциональной блок-схемы системы снижения заболеваемости коров маститом. Объектом исследования является система снижения заболеваемости коров маститом. Методы исследования. Использованы аналитический обзор литературы в данной предметной области и методы математического моделирования на основе элементов теории множеств. Результаты и обсуждение. Определены отличительные особенности ведения молочного скотоводства в Северных и Арктических регионах России. Приведен обзор существующих мероприятий по профилактике, диагностике и лечению маститов у коров. Обоснованы мероприятия по снижения заболеваемости коров маститом. Выводы. Предложена система снижения заболеваемости коров маститом, учитывающая особенности ведения молочного скотоводства в Северных и Арктических регионах России.
1. Введение
В настоящее время в отрасли разведения, селекции, генетики и биотехнологии молочного скота в Северных и Арктических регионах России имеется ряд актуальных нерешенных до конца проблем, среди которых, в первую очередь, следует отметить недостаточную молочную продуктивность, снижение качества молока и раннюю выбраковку коров. Основной причиной, перечисленных проблем, является недостаточная резистентность коров к маститу. На основании клинических симптомов выделяют клинический и субклинический мастит. Клинический мастит диагностируется посредством визуальной оценки воспаления вымени коров или изменения органолептических свойств молока, субклинический же мастит является скрытой формой заболевания, при которой выраженные симптомы отсутствуют, и при этом в молоке регистрируется повышение количества соматических клеток в 3–4 раза .
Мастит является одним из наиболее часто встречающихся заболеваний коров в мире. Так, известно , что в России ежегодно мастит в клинической форме регистрируется у 20–25% коров, а в субклинической более чем у 50%. При разовом обследовании стада мастит выявляется у 5–36% коров . В странах Европы заболеваемость маститом в клинической форме встречается примерно у 29% коров, в странах Северной Америке — 22%, Азии — 18% и Африки — 12% .
Мастит наносит значительный экономический ущерб для сельскохозяйственных предприятий, который выражается в снижении удоев коров и качества получаемого молока, преждевременной выбраковке коров, увеличении заболеваемости молодняка и расходов на профилактику, диагностику, лечение и исследования мастита.
В связи с чем заболевание коров маститом является существенной проблемой, а исследования, направленные на решение этой проблемы приобретают особую значимость и актуальность.
Вопросам снижения заболеваемости коров маститом посвящено большое количество исследований как в России, так и во всем мире , , , . Следует отметить, что существующие исследования в основном имеют узкую специализацию, и посвящены разработке новых и совершенствованию используемых путей профилактики, диагностики, или лечения мастита. Для повышения эффективности снижения заболеваемости коров маститом необходимо применение комплексных решений, включающих профилактику, диагностику, и лечение мастита, представляющих собой единую систему с учетом природно-климатических и социально-экономических особенностей территории. Соответственно, целью исследования является моделирование системы снижения заболеваемости коров маститом, учитывающей особенности ведения молочного скотоводства в Северных и Арктических регионах России.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
– разработать математическую модель системы снижения заболеваемости коров маститом, учитывающую особенности ведения молочного скотоводства в Северных и Арктических регионах России;
– выполнить декомпозицию компонентов модели системы снижения заболеваемости коров маститом;
– построить структурно-функциональную блок-схему системы снижения заболеваемости коров маститом.
2. Методы и принципы исследования
Объектом исследования является система снижения заболеваемости коров маститом.
Для обоснования модели системы снижения заболеваемости коров маститом, учитывающую территориальные особенности ведения молочного скотоводства в Северных и Арктических регионах России, оказывающих влияние на заболеваемости коров маститом, воспользуемся в качестве инструментов исследования аналитическим обзором литературы в данной предметной области и методами математического моделирования.
Аналитический обзор литературы был проведены с использованием баз данных eLIBRARY.RU, Science Direct, Scopus и Agricola. Поиск в базах данных осуществлялся по комбинациям ключевых слов. Поиск проводился за период с 2010 по 2025 год. Для каждой базы данных было выбрано поле поиска, в котором поиск осуществлялся по названиям, аннотациям и ключевым словам.
На первой стадии математического моделирования предлагается использовать элементы теории множеств для формального описания системы снижения заболеваемости коров маститом, ее объекта, территориальных особенностей, состава и порядка мероприятий, и их взаимосвязи. На следующих стадиях математического моделирования предполагается уточнение модели системы снижения заболеваемости коров маститом и рассмотрение вопросов ее практического применения.
3. Основные результаты и обсуждение
Адаптируя к решаемой нами задаче теоретико-множественный подход, рассмотренный в работах , , , на верхнем уровне модель системы снижения заболеваемости коров маститом, включающую ее объект, территориальные особенности, состав и порядок мероприятий, и их взаимосвязи, опишем кортежем (1):
где О — объект системы заболеваемости коров маститом;
Т — территориальные особенности ведения молочного скотоводства в Северных и Арктических регионах России, оказывающих влияние на заболеваемости коров маститом;
М — мероприятия по снижения заболеваемости коров маститом;
В — взаимосвязи между объектом системы и мероприятиями по снижения заболеваемости коров маститом.
Предложенную модель системы снижения заболеваемости коров маститом можно представить в виде диаграммы Эйлера (рисунок).
Модель системы снижения заболеваемости коров маститом
Для описания объекта системы снижения заболеваемости коров маститом необходимо рассмотреть причины возникновения мастита и ответную реакцию организма коров на данное заболевание.
Этиологическими агентами мастита являются в основном бактерии, особенно стафилококки и стрептококки, а также микоплазмы, грибы, водоросли, простейшие и вирусы. Воспаление также может развиться при физической травме вымени, контакте с раздражающими химическими веществами, вызывающими иммунный ответ, или при любом физиологическом повреждении. По данным ряда авторов , , , вызывать мастит могут более 150 видов грамположительных и грамотрицательных бактерий. К грамположительным бактериям относятся различные виды стафилококков и стрептококков, в то время как кишечная палочка и клебсиелла пневмонии являются наиболее распространенными грамотрицательными бактериями, вызывающими это заболевание.
В зависимости от способа заражения выделяют две категории мастита: вызванный инфекционными агентами и вызванный факторами окружающей среды. Инфекционные агенты (например, Staphylococcus aureus, Streptococcus agalactiae, Streptococcus dysgalactiae) в основном вызывают субклиническое и хроническое воспаление молочных желез. Они колонизируют кожу вымени, приспосабливаются к выживанию и размножению в молочной железе и таким образом передаются от животного к животному во время доения. В свою очередь, патогены окружающей среды, то есть бактерии из группы коли (Escherichia coli, Klebsiella pneumoniae), Streptococcus uberis или Enterococci spp., присутствующие в среде обитания животных (в почве, воде, подстилке), быстро уничтожаются иммунной системой хозяина .
Дрожжи являются менее распространенной причиной мастита. Однако в стадах, где не соблюдаются правила гигиены при доении, часто возникают раздражения и травмы вымени, а также чрезмерно используются антибиотики или проводится многократная внутривымянная обработка, мастит может быть вызван, например, несколькими видами грибов из родов Candida, Cryptococcus, Rhodotorula и Trichosporum . Следует отметить, что мастит также может быть вызван двумя из восьми известных видов водорослей Prototheca algae, а именно P. zopfii и P. blaschkeae.
Помимо патогенных микроорганизмов, воспаление вымени может быть вызвано факторами, напрямую связанными с организмом коровы. К ним относятся наличие или отсутствие естественных защитных механизмов, надои, возраст, стадия лактации, стрессовые факторы, а также морфологические особенности вымени и сосков. Мастит также может быть спровоцирован факторами окружающей среды, например методами и условиями доения, типом содержания, микроклиматическими условиями, сезоном производства и питанием.
Мастит проявляется физическими, химическими и бактериологическими изменениями в тканях молочной железы и является результатом воспаления тканей вымени и защитной реакции организма на некоторые факторы, главным образом на микроорганизмы, присутствующие внутри молочной железы. Инфекция развивается при ослаблении защитных механизмов организма. Сосочный канал образует первую линию защиты от вторжения патогенов, обеспечивая физический барьер и источник антимикробных веществ . Кератин соскового канала играет особую роль в неспецифической защите железы, выступая в качестве физического барьера. Кератин состоит из жирных кислот и фибриллярных белков. При попадании патогена в сосковый канал эти фибриллярные белки электростатически связываются с патогенами, вызывая изменения в их клеточных стенках. Эта модификация повышает восприимчивость патогенов к осмотическому давлению. Неспособность регулировать осмотическое давление приводит к лизису клеточных мембран и последующей гибели вторгшихся патогенов. Дополнительными факторами, ограничивающими проникновение патогенов в железистую ткань, являются такие вещества, как лизоцим, лактоферрин и лактопероксидаза. Благодаря своему неспецифическому воздействию на инфекционный агент они классифицируются в группу неспецифических гуморальных веществ. Важными компонентами механизмов врожденной защиты молочной железы являются эндотелиальные клетки (контролирующие кровоток к пораженным тканям и регулирующие миграцию и активацию лейкоцитов) и оксилипиды (ответственные главным образом за регуляцию микрососудистой сети). Нейтрофилы являются наиболее активной клеточной линией, непосредственно участвующей в защите вымени от микробов. Подобно нейтрофилам, макрофаги и дендритные клетки являются активными защитными клетками молочной железы, способными к фагоцитозу и продукции цитокинов. Дендритные клетки, как и макрофаги, также способны к презентации антигенов. Другой формой защиты является специфический клеточный и гуморальный иммунитет, связанный с высвобождением антител и различных фракций Т- и В-клеток в кровоток. Они продуцируют цитокины . Различия в их продукции и кинетике могут вызывать значительные вариации в ходе воспалительного процесса. Сопутствующие симптомы также варьируются, начиная от отсутствия видимых аномалий в вымени и молоке и заканчивая снижением выработки молока и изменениями его состава и/или внешнего вида, а также покраснением, твердостью, чувствительностью, болью и зудом вымени, вплоть до системных симптомов .
Объект системы снижения заболеваемости коров маститом опишем кортежем (2):
где ОО — наименование и описание объекта системы снижения заболеваемости коров маститом: объектом является заболеваемость коров маститом;
ОС — наименование и описание субъекта системы заболеваемости коров маститом: субъектом являются животноводческие фермы и комплексы, занимающиеся молочным скотоводством;
ОЦ — цель и задачи системы снижения заболеваемости коров маститом, определяющие назначение системы и ее целевое использование: целями и задачами системы является снижения заболеваемости коров маститом;
ОМ — модель объекта системы снижения заболеваемости коров маститом: модель объекта системы можно представить как совокупность показателей, характеризующих изменение состояния здоровья коров и их продуктивности при заболевании маститом (изменение удоев, количество соматических клеток в молоке, количество бактерий в молоке).
На ведение молочного скотоводства оказывают влияние природно-климатические и социально-экономические факторы, присущие северным и арктическим территориям России. Природно-климатические факторы влияют на количество и качество заготавливаемых кормов для скота, их условия содержания и показатели здоровья. Социально-экономические факторы влияют на доступность ресурсов, необходимых для содержания, диагностики и лечения скота, наличие квалифицированных кадров, своевременность принятия решений.
К природно-климатическим факторам, присущим северным и арктическим территориям России, можно отнести экстремальные климатические условия (низкие температуры и низкий уровень инсоляции) и малоплодородные почвы (бедны питательными веществами и гумусом). К социально-экономическим факторам можно отнести слабое развитие транспортной инфраструктуры, удалённость населенных пунктов и сельскохозяйственных предприятий, и не устойчивые связи между сельскохозяйственными предприятиями.
С учетом перечисленных факторов можно выделить следующие территориальные особенности ведения молочного скотоводства в Северных и Арктических регионах России:
– дефицит и низкое качество, заготавливаемых кормов для скота;
– неблагоприятные условия окружающей среды (переохлаждение скота, недостаток солнечного света);
– ограниченность ресурсов материальных (кормов, медикаментов) и людских (квалифицированных кадров);
– большая длительность доставки ресурсов и их высокая стоимость.
Территориальные особенности ведения молочного скотоводства в Северных и Арктических регионах России, оказывающие влияние на заболеваемости коров маститом опишем кортежем (3):
где ТПК — природно-климатические особенности ведения молочного скотоводства: природно-климатическими особенностям являются дефицит и низкое качество, заготавливаемых кормов для скота, неблагоприятные условия окружающей среды;
ТСЭ — социально-экономические особенности ведения молочного скотоводства: социально-экономическими особенностями являются ограниченность материальных и людских ресурсов, большая длительность доставки ресурсов и их высокая стоимость.
В настоящее время в мире применяются различные мероприятия по профилактике заболеваемости коров маститом. Анализ научных публикаций позволяет выделить следующие наиболее распространенные и перспективные мероприятия:
– правильное доение, не повреждающее тканей вымени (соблюдение технологии доения, режимов работы доильных аппаратов и параметров вакуума в них) ;
– геномная селекция (отбор коров и быков на резистентность к маститу) ;
– гигиена рук доярок и гигиена вымени коров ;
– иммунотерапия (манипуляция с иммунной системой коров, направленная на усиление ее естественных защитных механизмов: вакцинация, иммунотерапия Т- и В-клетками, иммунотерапия РНК, эпигенетическая иммунотерапия, применение нативных секреторных факторов, цитокиновая терапия и терапия стволовыми клетками) , .
С учетом описанных территориальных особенностей ведения молочного скотоводства в Северных и Арктических регионах России наиболее рациональными мероприятия по профилактике заболеваемости коров маститом являются правильное доение, не повреждающее тканей вымени, геномная селекция, гигиена рук доярок и гигиена вымени коров и маститовакцинация.
В настоящее время в мире применяются различные мероприятия по диагностике заболеваемости коров маститом. Анализ научных публикаций позволяет выделить следующие наиболее распространенные и перспективные мероприятия:
– определение количества соматических клеток (SCC) (у коров больных маститом повышается количество соматических клеток в молоке) ;
– счетчики соматических клеток, основанные на проточной цитометрии в сочетании с методами визуализации (у коров больных маститом повышается количество соматических клеток в молоке) ;
– Калифорнийский маститный тест (CMT) (у коров больных маститом повышается количество соматических клеток в молоке) ;
– дифференциальный подсчет соматических клеток (DSCC) (у коров больных маститом повышается количество нейтрофилов в молоке) ;
– измерение электропроводимости молока (EC) (у коров больных маститом повышается электропроводимость молока) ;
– инфракрасная термография вымени коров (IRT) (у коров больных маститом повышается температура долей вымени) ;
– ультразвуковое исследования молочной железы коровы (у коров больных маститом изменяется эхогенность молочной железы коровы) ;
– определения белков острой фазы (APPs) в сыворотке крови или молоке (у коров больных маститом повышается количество белков острой фазы) ;
– метод полимеразной цепной реакции (PCR) определения бактерий в молоке (у коров больных маститом в молоке повышается количество бактерий) ;
– биомаркеры воспаления молочных желез (у коров больных маститом в крови изменяется концентрация общего белка, а также отдельных аминокислот) .
С учетом описанных территориальных особенностей ведения молочного скотоводства в Северных и Арктических регионах России наиболее рациональными мероприятия по диагностике заболеваемости коров маститом являются определение количества соматических клеток, измерение электропроводимости молока, инфракрасная термография вымени коров и биомаркеры воспаления молочных желез.
В настоящее время применяются различные мероприятия по лечению заболеваемости коров маститом. Анализ научных публикаций позволяет выделить следующие наиболее распространенные и перспективные мероприятия:
– антибиотикотерапия ;
– бактериофаговая терапия ;
– применение эндолизинов бактериофагов ;
– применение антимикробных пептидов ;
– применение пробиотиков ;
– фитотерапия ;
– терапия на основе наночастиц ,
– гирудотерапия .
С учетом описанных территориальных особенностей ведения молочного скотоводства в Северных и Арктических регионах России наиболее рациональными мероприятия по лечению заболеваемости коров маститом являются антибиотикотерапия, бактериофаговая терапия, применение пробиотиков и фитотерапия.
Так, в статье при лечении субклинических маститов у коров предлагается использовать гирудотерапию. По результатам экспериментального исследования авторы получили 100% эффективность лечения при снижении затрат на 40% в сравнении с лечением антимикробными препаратами.
Мероприятия по снижения заболеваемости коров маститом опишем кортежем (4):
где МП — мероприятия по профилактике заболеваемости коров маститом: геномная селекция, правильное доение, не повреждающее тканей вымени, гигиена рук доярок и гигиена вымени коров, маститовакцинация;
МД — мероприятия по диагностике заболеваемости коров маститом: определение количества соматических клеток, измерение электропроводимости молока, инфракрасная термография вымени коров, определение биомаркеров воспаления молочных желез;
МЛ — мероприятия по лечению заболеваемости коров маститом: антибиотикотерапия, бактериофаговая терапия, применение пробиотиков, фитотерапия.
Обобщая рассмотренные особенности ведения молочного скотоводства в Северных и Арктических регионах России, предложенные модели компонентов системы снижения заболеваемости коров маститом и их взаимосвязи предлагается система снижения заболеваемости коров маститом, состоящая из:
1. Мероприятий по профилактике заболеваемости коров маститом, включающих:
– геномную селекцию коров и быков,
– контроль правильности доения коров,
– контроль гигиены рук доярок и гигиены вымени коров,
– маститовакцинацию коров;
2. Мероприятий по диагностике заболеваемости коров маститом, включающих:
– определение количества соматических клеток в молоке,
– измерение электропроводимости молока,
– инфракрасную термография вымени коров,
– определение биомаркеров воспаления молочных желез;
3. Мероприятий по лечению заболеваемости коров маститом, включающих:
– антибиотикотерапию,
– бактериофаговую терапию,
– применение пробиотиков,
– фитотерапию.
Блок-схема предлагаемой системы снижения заболеваемости коров маститом представлена на рисунке.
Блок-схема системы снижения заболеваемости коров маститом
4. Заключение
В ходе исследования получены следующие результаты:
1. Разработана математическая модель системы снижения заболеваемости коров маститом, учитывающая особенности ведения молочного скотоводства в Северных и Арктических регионах России.
2. Выполнена декомпозицию компонентов модели системы снижения заболеваемости коров маститом.
3. Построена структурно-функциональная блок-схема системы снижения заболеваемости коров маститом.
4. Как продолжение исследований по теме данной работы предполагается детализация математической проработки модели с примерами расчетов, дополнение перечня мероприятий с учетом современных методов профилактики, уточнение модели системы снижения заболеваемости коров маститом, включая рассмотрение вопросов практического применения (в том числе практических примеров расчетов, анализа операций и аналитики).