Bio kömürün yem sindirimindeki mekanizmaları

Adsorpsiyon Biyokömür araştırılmadan ve 2010'ların başında hayvanlar için düzenli bir yem katkı maddesi olarak kullanılmadan önce, odun kömürü (yani, odundan yapılan biyokömür) ve aktif karbon (yani, biyokütleden yapıldığında aktif biyokömür; Hagemann ve ark., 2018) hazımsızlık ve zehirlenme ile mücadele etmek için bir veteriner ilacı olarak kabul edildi. Mangal kömürü, yüzyıllardır hayvanlarda zehirlenme için acil bir tedavi olarak biliniyordu (Decker ve Corby, 1971). Biyokömür, mikotoksinler, bitki toksinleri, pestisitler ve toksik metabolitler veya patojenler gibi çeşitli farklı toksinler için yüksek adsorpsiyon kapasitesi nedeniyle kullanılmıştır ve hala kullanılmaktadır. Sindirilemeyen bir sorbent olarak aktif biyokömürün kullanıldığı adsorpsiyon tedavisi, ağız yoluyla alınan toksinlerin zararlı veya ölümcül etkilerini önlemenin en önemli yollarından biri olarak kabul edilmektedir (McKenzie, 1991; McLennan & Amos, 1989).

Toksikoloji perspektifinden bakıldığında, biyokömürün etkilerinin çoğu aşağıdaki mekanizmalardan birine veya birkaçına dayanmaktadır: dioksinler gibi bazı toksinlerin seçici adsorpsiyonu, toksin içeren yem maddelerinin birlikte adsorpsiyonu, adsorpsiyonu takiben toksini yok eden kimyasal bir reaksiyon ve sindirimin sonraki aşamalarında daha önce adsorbe edilmiş maddelerin desorpsiyonu (Gerlach & Schmidt, 2012). Bununla birlikte, hayvanların sindirim sistemi boyunca toksik maddelerin adsorpsiyonu, biyotransformasyonu, desorpsiyonu ve atılımının zamana bağlı ve kısmen örtüşen süreçleri için sınıflandırılabilir ayrımlar yapılması gerekmektedir.

Schirrmann (1984) aktif karbonun gastrointestinal sistemdeki bakteriler ve toksinleri üzerindeki etkilerini şu şekilde tanımlamıştır:

Proteinlerin, aminlerin ve amino-asitlerin adsorpsiyonu.

Sindirim sistemi enzimlerinin adsorpsiyonunun yanı sıra bakteriyel ekzoenzimlerin adsorpsiyonu.

Hareketli mikropların kemotaksis yoluyla bağlanması.

Biyokömürün gram-negatif bakterilerle seçici kolonizasyonu, gram-negatif bakteriler öldüğünde bu toksinler kolonize biyokömür tarafından doğrudan adsorbe edilebileceğinden endotoksin salınımının azalmasına neden olabilir.

Biyokömür kullanımının bir diğer önemli avantajı da "enteral diyaliz" özelliğidir, yani biyokömürün büyük yüzey alanının adsorpsiyon gücü bağırsağın geçirgenlik özellikleriyle etkileşime girdiğinden, zaten adsorbe edilmiş lipofilik ve hidrofilik toksinler biyokömür tarafından kan plazmasından uzaklaştırılabilir (Schirrmann, 1984).

Susan Pond (1986), biyokömürün toksinleri vücuttan atabileceği çeşitli mekanizmaları açıklamıştır. İlk olarak, biyokömür toksik maddelerin bağırsak, karaciğer ve safra arasındaki enterohepatik dolaşımını kesintiye uğratabilir. Östrojenler ve progestajenler, digitoksin, organik cıva, arsenik bileşikleri ve indometasin gibi bileşiklerin safra yoluyla alınmasını önler. İkinci olarak, bağırsağa aktif olarak salgılanan digoksin gibi bileşikler burada adsorbe edilebilir. Üçüncü olarak, petidin gibi bileşikler biyokömüre adsorbe edilebilir ve bu bileşikler pasif olarak bağırsağa yayılır. Dördüncü olarak, biyokömür, bağırsak kanı ve birincil idrar arasındaki konsantrasyon gradyanı boyunca yayılan bileşikleri alabilir.

Biyokömür bazlı yem katkı maddelerinin redoks aktivitesi Adsorpsiyon kapasitesi, biyokömürün hayvanlara yedirildiğinde olumlu etkilerini açıklayan en önemli işlevi olmasına rağmen, adsorpsiyon tek başına biyokömür besleme deneylerinde gözlemlenen tüm olayları açıklayamaz. Biyokömürün bir diğer önemli, ancak hala yaygın olarak göz ardı edilen işlevi ise redoks aktivitesidir. Biyokömürler, biyokimyasal reaksiyonlardan gelen elektronları kabul edebilen, depolayabilen ve bunlara aracılık edebilen jeobataryalar ve jeoiletkenler olarak işlev görür (Sun vd., 2017). Düşük sıcaklık biyokarbonları (HTT 400-450 °C), esas olarak fenol ve kinon yüzey grupları nedeniyle jeobatarya işlevi görür. Öte yandan yüksek sıcaklık biyokarbonları (HTT >600°) iyi elektrik iletkenleridir (Mochidzuki vd., 2003; Yu vd., 2015). Bu özelliklerinden dolayı, hem yüksek hem de düşük sıcaklıktaki biyokömürler, biyotik ve abiyotik redoks reaksiyonlarında elektron aracıları olarak hareket edebilir (Van Der Zee & Cervantes, 2009; Husson, 2012; Liu et al., 2012; Kappler et al., 2014; Kluepfel et al., 2014; Joseph et al., 2015a; Yu et al., 2015; Sun et al., 2017). Biyokömür, örneğin aktif biyokömürün anot ve katot olarak kullanılabildiği mikrobiyal yakıt hücrelerinde olduğu gibi elektron kabul edebilir ve verebilir (Gregory, Bond & Lovley, 2004; Nevin vd., 2010; Konsolakis vd., 2015). Ancak biyokömürün elektrik iletkenliği, bakır telde olduğu gibi sürekli elektron akışına değil, süreksiz elektron atlamasına dayanmaktadır (Kastening vd., 1997); bu da biyokömürün (mikrobiyal) elektron aracısı veya elektron mekiği olarak adlandırılan ve türler arası elektron transferini bile kolaylaştıran işlevi için temel öneme sahiptir (Chen vd., 2015). Biyokömür partiküllerinin nispeten büyük boyutları nedeniyle, biyokömürün karbon matrislerinin elektron transfer kapasitesi, anoksik mikrobiyal solunum için mineraller gibi alternatif elektron alıcılarına mekansal olarak daha kapsamlı bir erişim sağlayan nispeten uzun mesafeli bir elektron değişimine yol açabilir (Sun ve ark., 2017).

Gastrointestinal sistemde ve özellikle anaerobik rumende organik maddelerin mikrobiyal ayrışması sırasında, sindirim mikropları organik moleküllerin bozunması sırasında biriken fazla elektronlardan kurtulmak için bir terminal elektron alıcısına ihtiyaç duyar. Elektronlar ortam koşullarında serbest halde bulunmadığından ve hücreler tarafından yeterince büyük miktarlarda depolanamadığından, organizmalar her zaman hem bir elektron vericisinin (örneğin, metabolize olmuş organik madde) hem de fazla elektronların aktarılabileceği bir alıcının mevcudiyetine bağlıdır. Bu genellikle elektron veren molekül veya atomların elektron alan molekül veya atomlarla elektro-kimyasal reaksiyonlar yoluyla bağlandığı redoks reaksiyonları olarak adlandırılan reaksiyonlarda gerçekleşir. Bu elektron transferine izin vermek için, bu kimyasal veya biyokimyasal redoks reaksiyonlarının genellikle çok yakın (moleküler) mesafede gerçekleşmesi gerekir.

Bununla birlikte, elektron verici ve elektron alıcı reaksiyonlar arasındaki bağlantı, elektron aracıları veya elektron mekikleri olarak adlandırılan araçlarla köprülenebilir. Bu elektron aracıları kimyasal reaksiyona giren bir molekülden, katı ara fazdan veya mikroorganizmadan bir elektron alabilir ve bunu başka bir moleküle, atoma, katı ara faza veya mikroorganizmaya sağlayabilir. İyi bilinen ve araştırılan elektron aracısı bileşikler arasında hümik maddeler ve biyokömür ile karşılaştırılabilir kapasiteler gösteren tiyonin, tanenler, metil mavisi veya kinon bulunmaktadır (Van Der Zee ve ark., 2003; Liu ve ark., 2012; Bhatta ve ark., 2012; Kluepfel ve ark., 2014).

İyi dengelenmiş bir hayvan yemi rejimi birden fazla elektron aracılık maddesi içermelidir. Ancak, yoğun hayvancılıkta kullanılan yüksek enerjili diyetlerde elektron kesici maddelerin tedariki genellikle yetersizdir (Sophal ve ark., 2013). Yüksek enerjili yemlere biyokömür veya hümik maddeler gibi inert veya diğer toksik olmayan elektron aracıları eklendiğinde, çeşitli redoks reaksiyonları daha verimli bir şekilde gerçekleşebilir ve bu da yem alım verimliliğini artırabilir (Liu ve ark., 2012; Leng, Inthapanya & Preston, 2013). Özellikle biyokömür, hem tek elektron aracı hem de diğer aracıların verimliliğini artıran sinerjik bir elektron aracı olarak hareket edebilir (Kappler ve ark., 2014).

Gastro-intestinal sistem içinde, neredeyse tüm yem parçalama reaksiyonları mikroorganizmalar (çoğunlukla bakteri, arkea ve siliyatlar) tarafından kolaylaştırılır. Bu reaksiyonlarda, bakteri hücreleri elektronları biyofilmlere veya biyofilmler aracılığıyla diğer terminal elektron alıcılarına aktarabilir (Richter vd., 2009; Kracke, Vassilev & Krömer, 2015). Ancak biyofilmler oldukça zayıf elektrik iletkenleridir ve elektron kabul kapasiteleri düşüktür. Bu nedenle, mikrobiyal redoks reaksiyonları, elektrik iletkenliği biyofilmlerinkinden 100-1.000 kat daha yüksek olan hümik asitler veya aktif biyokömür gibi elektron servisleri ile optimize edilebilir (Aeschbacher vd., 2011; Liu vd., 2012; Saquing, Yu & Chiu, 2016). Aktive edilmemiş biyokömürün iletkenliği aktive edilmiş biyokömüre kıyasla daha düşük olmasına rağmen, bakteri hücreleri arasında elektronları verimli bir şekilde aktarabildiği gösterilmiştir (Chen vd., 2015; Sun vd., 2017). Bakterilerin bir biyokömür partikülüne bir elektron bağışladığı, farklı türlerden diğer bakterilerin ise aynı biyokömür partikülünün başka bir bölgesinde bir elektron aldığı (kabul ettiği) gösterilmiştir. Biyokömür burada biyokimyasal (mikrobiyal) reaksiyonların ihtiyacına bağlı olarak şarj edilebilen ve boşaltılabilen bir "pil" (veya elektron tamponu) gibi davranmaktadır (Liu ve ark., 2012). Dahası, biyokömür mikroplar tarafından geçici olarak oksitlenebildiği veya indirgenebildiği için (yani, biyokömür elektron bakımından tükenir veya zenginleşir), elektron vericilerinin veya terminal elektron alıcılarının (redoks tamponlama etkisi) (Saquing, Yu & Chiu, 2016) (geçici) eksik olduğu durumları tamponlayabilir. Dolayısıyla hayvanlara biyokömür verilmesinin temel amaçlarından biri, mikroplar arasında ve mikroplar ile terminal elektron alıcıları arasında elektron alışverişini artırarak metabolik redoks sınırlamalarının üstesinden gelmek olabilir.

Biyokömürün redoks aktif karbonlu omurgası ve içerdiği demir (Fe(II) ve/veya Fe(III)) ve manganez (Mn(III) veya Mn(IV) mineralleri) gibi mineraller, mikrobiyal büyümeyi elektriksel olarak en az dört farklı şekilde destekleyebilir: (1) heterotrofiye dayalı solunum için bir elektron havuzu olarak, (2) ototrofik büyüme için bir elektron kaynağı olarak, (3) elektronların hücreden hücreye transferini sağlayarak ve (4) bir elektron depolama malzemesi olarak (Shi et al, 2016). Hücre dışı elektron transferinin etkinleştirilmesinin daha enerji verimli bir sindirime katkıda bulunduğu ve bunun da aktive edilmiş veya edilmemiş biyokömür uygulandığında daha yüksek yem verimliliği ile sonuçlandığı varsayılabilir. Ayrıca, elektrokimyasal etkilerin sindirim sistemindeki mikrobiyal topluluğun işlevsel çeşitliliğindeki olası değişimleri açıklamak için önemli bir faktör olarak değerlendirilmesi gerekmektedir (Prasai ve ark., 2016). Leng, Inthapanya & Preston (2012) da biyokömür ve mikroorganizmalar arasındaki elektron transferinin, çalışmalarında ineklere biyokömür verilmesinin metan emisyonlarını azaltmasının nedenlerinden biri olabileceğini öne sürmüştür (bkz. Bölüm 6).

Ayrıca biyokömürün sindirim sisteminde FeIII-FeII-redoks çarklarına benzer bir redoks çarkı işlevi görmesi de muhtemeldir. Karışık değerlikli demir minerallerine benzer şekilde çeşitli biyotik ve abiyotik redoks reaksiyonlarını doğrudan bağlayan bir elektron alıcısı ve vericisi olarak birlikte hareket edebilir (Davidson, Chorover & Dail, 2003; Li vd., 2012; Joseph vd., 2015a; Quin vd., 2015). Biyokömür, poliaromatik omurgasının yanı sıra, üretim sürecine bağlı olarak çok sayıda uçucu organik karbon (VOC) içerir (Spokas vd., 2011). Pirolitik VOC'lerin bazıları güçlü elektron alıcılarıdır ve kinonun çalışmasına benzer bir redoks çarkı gibi hareket edebilirler (Van Der Zee vd., 2003). Biyokömürün yaşlanması sırasında sıklıkla oksidatif modifikasyonlara uğrayan bu pirolitik VOC'lerden bazıları (Cheng ve Lehmann, 2009), belirli kirleticilerin biyolojik bozunmasına katkıda bulunduğu gösterilen redoks aktif bileşiklerdir (RAM'ler) (Yu vd., 2015). Sindirim sisteminde, biyokömür partiküllerinin yüzeylerine adsorbe edilen çok sayıda RAM'in çeşitli mikroorganizmalarla redoks tekerlekleri olarak hareket edebileceği tahmin edilebilir. Biyokömürün redoks aktif yüzey gruplarının çevresindeki elektronları tamponladığında, farklı mikroorganizma türleri için farklı redoks pH değerlerine sahip stabil mikro habitatlar sağlayabileceği de varsayılabilir (Yu vd., 2015). Dahası, biyokömür aynı zamanda elektron alıcısı olan ve sindirim sisteminden geçişi sırasında biyokömür partiküllerinin elektron tamponlamasını daha da artırabilecek tanenler, fenoller veya tiyonin gibi belirli yem ve metabolik maddeleri adsorbe eder (Kracke, Vassilev & Krömer, 2015).

Biyokömür, odun sirkesi (yani yoğunlaşmış pirolitik gazların sulu çözeltileri) ve hümik maddeler redoks tamponlayıcı maddeler olarak hareket edebilir (Husson, 2012; Kluepfel vd., 2014); bu da biyokömür, pirolitik sirke ve hümik maddelerin beslenmesinin neden genellikle benzer etkiler gösterdiğini ve biyokömürün odun sirkesi veya hümik maddelerle karıştırılmasının neden etkileri güçlendirdiğini açıklayabilir (Watarai, Tana & Koiwa, 2008; Gerlach vd., 2014). Bununla birlikte, her iki çözünmüş organik maddenin aksine, biyokömür, hümik benzeri maddelerin veya pirolitik sirkenin adsorbe edilebildiği ve biyokömürün iç gözenekli aromatik karbon yüzeylerinin bir kaplaması olarak üç boyutlu olarak açılabildiği yüksek spesifik yüzey alanına sahip oldukça gözenekli bir çerçeve sağlar. Hümik maddeler veya odun sirkesi ile harmanlanmış biyokömürün redoks tamponlama etkisi nedeniyle, biyokömür partiküllerinin yakınında redoks potansiyelindeki değişimler en aza indirilebilir ve bu da bu redoks potansiyellerinde optimumlarını bulan mikroorganizma türlerini destekleyebilir (Kalachniuk vd., 1978; Cord-Ruwisch, Seitz & Conrad, 1988). Biyokömür partikülleri bu nedenle mikrobiyal aktivite için seçici sıcak noktalar sağlayabilir. Redoks potansiyelinin tamponlanmasının yanı sıra mikrobiyal türler arasında elektron taşınmasının etkisinin, işlevsel mikrobiyal konsorsiyumların oluşumunu kolaylaştıran ve hızlandıran seçici, mikrobiyal bir ortam oluşturma etkisine sahip olabileceği varsayılabilir (Kalachniuk vd., 1978; Khodadad vd., 2011; Sun vd., 2017).

Yem katkı maddesi olarak kullanılan biyokömürün, özellikle mikrobiyal aracılı redoks reaksiyonları üzerindeki etkisine ilişkin mekanistik anlayış açıkça emekleme aşamasındadır (Gregory, Bond & Lovley, 2004; Nevin ve ark., 2010; Konsolakis ve ark., 2015). Bununla birlikte, biyokömürün sindirim reaksiyonları üzerinde doğrudan elektro-kimyasal bir etkiye sahip olduğunu ve bunun farklı biyokömürlerin son derece değişken etkilerinin ana nedeni olmasa da bir nedeni olduğunu varsayıyoruz. Belirli bir biyokömürün elektrik iletkenliği, redoks potansiyeli, elektron tamponlama (poising) ve elektron transfer kapasitesi (shuttling) büyük ölçüde pirolize edilmiş hammadde türüne, pirolitik koşullara (Kluepfel vd., 2014; Yu vd., 2015) ve özellikle piroliz sıcaklığına bağlıdır (Sun vd., 2017). Sıcaklık 600 °C'nin üzerinde ne kadar yüksek olursa, elektron transfer hızı ve elektrik iletkenliği o kadar iyi olur (Sun vd., 2017). Bununla birlikte, örneğin düşük sıcaklıktaki biyokömürlerin VOC içeriği ne kadar yüksekse ve düşük sıcaklıktaki biyokömürlerde (400-600 °C) yüzey fonksiyonel gruplarının bolluğu ne kadar fazlaysa, biyokömür üzerine/üzerinden aracılı elektron transferi o kadar önemli hale gelebilir (Joseph vd., 2015a; Yu vd., 2015; Sun vd., 2017). Buna ek olarak, biyokömürlerin mineral içeriği de dikkate alınmalıdır, çünkü biyokömürün elektro-kimyasal davranışını etkilemekle kalmaz, aynı zamanda çeşitli biyotik ve abiyotik reaksiyonları da katalize edebilir (Kastner vd., 2012; Anca-Couce vd., 2014).

Spesifik toksin adsorpsiyonu

Mikotoksinlerin adsorpsiyonu Hayvan yemlerinin mikotoksinlerle kontaminasyonu, dünya yem üretiminin %25'ini etkileyen dünya çapında bir sorundur (Mézes, Balogh & Tóth, 2010). Mikotoksinler, özellikle nemli iklimlerde, taze ve depolanmış hayvan yemlerinde büyümesini önlemek zor olan küf mantarlarından elde edilir. Mikotoksinle kirlenmiş yemler çiftlik hayvanlarında ciddi hastalıklara yol açabilir. Hayvanları korumak için, mikotoksinleri yutmadan önce bağlamak üzere genellikle yemlere adsorbanlar eklenir. Sıklıkla kullanılan alüminosilikatlara ek olarak, aktif karbon ve özel polimerler de giderek daha fazla kullanılmaktadır (Huwig ve ark., 2001).

En yaygın mikotoksinlerden biri aflatoksindir (Alshannaq & Yu, 2017) ve bu nedenle biyokömürün adsorpsiyon davranışını ve sindirim sisteminde ve dolayısıyla hayvan kanında ve sütte toksin alımını nasıl azalttığını araştırmak için çok sayıda çalışmada model madde olarak kullanılmıştır (Galvano ve ark., 1996a). Galvano ve arkadaşları (1996b) süt inekleri için peletlenmiş aflatoksin katkılı yeme %2 aktif biyokömür ekleyerek hayvan yemindeki ekstrakte edilebilir aflatoksin konsantrasyonunu %74'e kadar, sütteki konsantrasyonu ise %45'e kadar azaltabilmişlerdir. Bununla birlikte, farklı aktif biyokömürlerin sistematik olmayan karşılaştırması, farklı (aktif) biyokömür türleri arasında adsorpsiyon verimliliğinde büyük farklılıklar olduğunu göstermiştir.

Diaz ve arkadaşları (2002) bir in vitro sorpsiyon kesikli çalışmasında, aktif biyokarbonlar 100 ml'ye 1,11 g dozlandığında dört farklı aktif karbonun %0,5 aflatoksin B katkılı bir çözeltiden aflatoksin B'nin %99'unu adsorbe ettiğini göstermiştir. Ancak Diaz, bir yıl sonra süt inekleri için aflatoksin-B ile kirlenmiş yemlere %0,25 aktif karbon uyguladığında (Diaz ve ark., 2004), sütteki aflatoksin B seviyelerinde önemli bir azalma gösterememiştir. Burada, in vivo testte, yeterince karakterize edilmemiş (aktive edilmiş) bir biyokömürün yemin taze ağırlığının %0,25'i gibi düşük bir konsantrasyonda yedirildiği, in vitro çalışmalarda ise biyokömürün sulu çözeltiye %1 oranında, yani dört kat daha yüksek oranda ve yem matrisi olmadan eklendiği dikkate alınmalıdır.

Galvano ve arkadaşları (1996a) da iki mikotoksin, okratoksin A ve deoksinivalenol için 19 farklı aktif karbonun adsorpsiyon kapasitesini araştırmış ve aktif biyokömürün türüne bağlı olarak, aktif biyokömürün okratoksin A'nın %0,80-99,86'sını ve deoksinivalenolün %98,93'üne kadarını adsorbe ettiğini bulmuştur. Geniş sonuç aralığı, biyokömür özelliklerinin sistematik bir şekilde karakterize edilmesi ve sınıflandırılmasının önemini açıkça teyit etmektedir. Ancak Galvano ve arkadaşları, ne aktif biyokömür karakterizasyonu için kullanılan iyot sayısının ne de N2 gaz adsorpsiyon izotermlerinden elde edilen Brunauer-Emmet-Teller spesifik yüzey alanının, bu mikotoksinler için adsorpsiyon kapasitesinin doğrudan tahmin edilmesine izin vermediği sonucuna varmıştır.

Di Natale, Gallo & Nigro (2009) sütteki aflatoksin içeriğini azaltmak amacıyla süt inekleri için çeşitli doğal ve sentetik adsorban yem katkı maddelerini karşılaştırmıştır. Aktif biyokömür en yüksek toksin azaltma kapasitesini göstermiştir (kg diyet başına 0,5 g aflatoksin içeren sütte >%90 aflatoksin azalması). Süt kalitesine ilişkin analitik çalışmalar da organik asitler, laktoz, klorürler, protein içeriği ve pH açısından süt bileşimi üzerinde hafif olumlu etkiler göstermiştir. Yazarlar yüksek adsorpsiyon kapasitesini, biyokömürün uygun mikro gözenek boyutu dağılımı ile birlikte yüksek spesifik yüzey alanı ve genel olarak biyokömürün poliaromatik yüzeyi için aflatoksinin yüksek afinitesi ile açıklamışlardır (Di Natale, Gallo & Nigro, 2009).

Bueno ve arkadaşları (2005), şimdiye kadar hiçbir tedavi ajanı bulunmayan Fusarium mantar türünün tehlikeli bir östrojenik metaboliti olan zearalenon için çeşitli dozlarda aktif biyokömürün (%0.1, %0.25, %0.5, %1) adsorpsiyon kapasitesini araştırmıştır. İn vitro olarak, dört biyokömür dozunun her birinde tüm zearalenon bağlanabilmiştir. Bununla birlikte, çok çeşitli mikotoksinlerin ve çok sayıda diğer organik molekülün biyokömürün serbest adsorpsiyon yüzeyleriyle rekabet ettiği in vivo ortamda, neredeyse hiç spesifik adsorpsiyon elde edilememiştir.

Holstein süt inekleriyle yapılan bir çalışmada, mantarla kirlenmiş yem silajının olumsuz etkilerinin günde 0, 20 veya 40 g aktif biyokömürle birlikte beslenerek ne ölçüde azaltılabileceği araştırılmıştır (Erickson, Whitehouse & Dunn, 2011). Biyokömür ilavesi ve kontamine silajla beslenen ineklerin yem alımı daha yüksek olmuş, nötr deterjan lifi, hemiselüloz ve ham proteinin sindirilebilirliği artmış ve biyokömür içermeyen kontrole kıyasla daha yüksek süt yağı içeriğine sahip olmuşlardır. Aynı günlük biyokömür miktarları kontamine olmamış kaliteli silaja uygulandığında, sindirim davranışında, süt kalitesinde veya süt inekleri üzerinde başka bir etkide herhangi bir değişiklik tespit edilememiştir. Bununla birlikte, yazarlar ikinci bir deneyde, ineklerin, seçme şansı verildiğinde, biyokömür içeren veya içermeyen kirli silaj yerine iyi kaliteli silajı açıkça tercih ettiklerini göstermiştir. Yazarlar, çiftçilerin biyokömür ile kirlenmiş silajın olumsuz etkilerini azaltmak yerine yüksek kaliteli yem sağlamaya odaklanmaları gerektiği sonucuna varmışlardır.

Piva ve arkadaşları (2005) domuz yavrularının yemlerine %1 biyokömür ilavesinin ardından oldukça toksik bir mikotoksin olan fumonisinin zararlı etkilerine karşı herhangi bir koruma sağlamazken, Nageswara Rao & Chopra (2001) aflatoksin B1 ile kontamine keçi yemlerine biyokömür ilavesinin toksinin (100 ppb) süte geçişini %76 oranında azalttığını göstermiştir. İkinci denemede, aktif biyokömürün etkinliği bentonitinkinden (%65,2) önemli ölçüde daha yüksekti. Her iki adsorban da keçi sütünün bileşimini ya da ortalama süt üretim seviyesini etkilememiştir.

Domuz sindirim sıvılarıyla yapılan in vitro çalışmalar, deoksinivalenol (%67), zeralenon (%100) ve nivalenol (%21) gibi Fusarium toksinlerinin aktif biyokömür yoluyla yüksek oranda adsorbe edildiğini göstermiştir (Avantaggiato, Solfrizzo & Visconti, 2005; Döll vd., 2007). Öte yandan, Jarczyk, Bancewicz & Jedryczko (2008) domuzların diyetine %0,3 aktif biyokömür eklediklerinde önemli bir etki bulamamışlardır. Ne kan serumunda ne de böbreklerde, karaciğerde veya kas dokusunda okratoksin konsantrasyonları, karakterize edilmemiş endüstriyel biyokömür ile yapılan bu küçük miktardaki takviye ile azaltılamamıştır (Jarczyk, Bancewicz & Jedryczko, 2008). Ancak, herhangi bir olumsuz etki de kaydedilmemiştir.

Mikotoksinler genellikle kümes hayvanlarında ciddi karaciğer hasarına neden olur. Günlük olarak vücut ağırlığının %0,02'si oranında uygulanan biyokömür, önemli karaciğer enzimlerinin aktivitesini önemli ölçüde artırmıştır (Ademoyero & Dalvi, 1983; Dalvi & Ademoyero, 1984). Aflatoksin (10 ppm) etlik piliçlerin yem alımını ve ağırlık artışını azaltırken, yeme %0,1 biyokömür ilavesi (w/w) negatif eğilimi tersine çevirmiştir (Dalvi & McGowan, 1984).

Aktif biyokömürün etkisi geleneksel olarak kullanılan bir alümina ürünü (hidratlı sodyum kalsiyum alüminosilikat) ile karşılaştırıldığında, alümina ürününün kg diyet başına 0, 40, 80 μg AFB1 uygulandığında önemli ölçüde karaciğer ve kan aflatoksin B seviyelerine neden olduğu, ancak %0,25 ve %0,5 biyokömür uygulaması ile birleştirilmediğinde olmadığı bulunmuştur (Kubena et al., 1990; Denli & Okan, 2007). Başka bir çalışmada, aktif biyokömür besi tavuklarının dışkılarındaki aflatoksin B konsantrasyonunu azaltmıştır, ancak sadece biyokömür yemden ayrı olarak uygulandığında (Edrington ve ark., 1996). Bununla birlikte, Kim ve arkadaşları (2017) in vivo domuz besleme denemesinde, aynı bazal diyete %0,5 oranında ilave edilen üç farklı biyokömür için aflatoksin emilim kapasitesinin sırasıyla %100, %10 ve %20 oranında azaldığını göstererek spesifik biyokömür özelliklerini dikkate almanın önemini bir kez daha ortaya koymuştur. Dozajın önemi, aflatoksin B1 ile kirlenmiş bir diyete %0,25 veya %0,5 oranında aktif biyokömürün eklendiği ve aflatoksin B1 ve biyokömür dozajlarına bağlı olarak kanatlıların karaciğerindeki aflatoksin B1 kalıntılarını %16-72 oranında azalttığı yakın tarihli bir başka kanatlı denemesinde de doğrulanmıştır (Bhatti vd., 2018).

Toth & Dou (2016) derleme makalelerinde, biyokömür beslemenin mikotoksin zehirlenmesinin etkilerini hafifletebileceği veya hafifletemeyeceği konusunda çelişkili çalışmalar olduğunu belgelemektedir. Sulu çözeltide (in vitro) sorpsiyon üzerine yapılan çoğu çalışmanın sonuçları, karşılık gelen in vivo test sonuçlarındaki sonuçlarla korelasyon göstermemiştir (Huwig ve ark., 2001). Bu nedenle, in vitro çalışmalar dikkatle yorumlanmalıdır, çünkü matris etkileri mikotoksin sorpsiyonunu önemli ölçüde etkileyebilir, örneğin Jaynes, Zartman & Hudnall (2007) aktif karbonun (Norit®, Boston, MA, ABD) 200 g/kg aflatoksini sorblayabildiğini, ancak bunu sadece berrak çözeltide yapabildiğini bulmuştur. Mısır unu süspansiyonunda, matris etkileri nedeniyle sorpsiyon kapasitesi 100 kat daha düşüktü. Sindirim sistemindeki matriks etkilerinin, değişen pH ve redoks koşulları nedeniyle daha da karmaşık olması beklenebilir. Yine de, incelememize dayanarak, deoksinivalenol (Devreese ve ark., 2012, 2014; Usman ve ark., 2015) ve zearalenon (Avantaggiato, Havenaar ve Visconti, 2004) gibi bazı mikotoksinlerin olumsuz etkilerinin, yemlere eklenen oldukça düşük dozlarda aktif biyokömür ile etkili bir şekilde bastırılabileceği sonucuna varırken, aflatoksin için hiçbir fayda bulunamamıştır. (Aktifleştirilmiş) biyokömürün yalnızca oldukça hidrofobik olan mikotoksinlerin olumsuz etkilerini bastırabildiği varsayılabilir (Avantaggiato, Havenaar & Visconti, 2004).

Bununla birlikte, bu çalışmaların çoğunun ortak noktası, yalnızca ticari aktif karbonların ve biyokömürlerin uygun karakterizasyon olmadan kullanılmasıdır; yani, farklı hammaddelerin (örneğin, odun ve otsu hammadde) ve üretim koşullarının (örneğin, sıcaklık) biyokömürü ile sistematik denemeler neredeyse hiç mevcut değildir. Bu nedenle, sonuçların sistematik hale getirilmesi zor olmaya devam etmektedir.

Bakteriyolojik patojenlerin ve metabolitlerinin adsorpsiyonu Hayvan sağlığını iyileştirmek için aktif ve aktif olmayan kömürlerin kullanımı, 20. yüzyılın başlarına kadar Alman veteriner hekimler tarafından önerilmiş ve incelenmiştir. 1914 yılında Skutetzky & Starkenstein (1914) tarafından sindirim sistemindeki çeşitli toksinler için kömürün adsorbe edici etkisi tanımlanmıştır. Clostridium tetani ve Clostridium botulinum bakteriyel toksinleri ve difteri toksini ile ilk deneyler 1919 gibi erken bir tarihte gerçekleştirilmiştir (Jacoby, 1919). Özellikle Wiechowski, odun kömürünün kalitesinin ne kadar önemli olduğuna ve farklı odun kömürlerinin toksin adsorpsiyonu üzerindeki etkisinin ne kadar farklı olabileceğine dikkat çekmiştir (Wiechowski, 1914). Ernst Mangold 1936 yılında hayvan beslemede odun kömürünün etkisini kapsamlı bir şekilde tanımlamış ve şu sonuca varmıştır: "Kömürün bulaşıcı veya beslenmeye bağlı ishal üzerindeki profilaktik ve terapötik etkisi açıktır ve bu gözleme dayanarak, yavru hayvanlara kömürün birlikte verilmesi uygun bir önlem olarak görünmektedir" (Mangold, 1936). Yaklaşık aynı zamanlarda Albert Volkmann, evcil hayvanlara odun kömürü yedirildiğinde koksidiyoz ve koksidiyal enfeksiyonlardan kaynaklanan ookist atılımının etkili bir şekilde azaltıldığına dair bulgularını yayınlamıştır (Volkmann, 1935).

Gerlach ve arkadaşları (2014), günlük 400 g yüksek sıcaklıkta odun bazlı biyokömür (yani HTT 700 °C) takviyesinin, sığırların kanındaki Botoks üreten patojen Clostridium botulinum'a karşı antikor konsantrasyonunu önemli ölçüde azalttığını ve patojenin baskılandığını göstermiştir. Nörotoksin konsantrasyonunun hayvanların gastrointestinal sistemindeki biyokömür tarafından azaltıldığı sonucuna varmışlardır. Günde sadece 200 g biyokömürle besleme aynı etkinliği göstermemiştir. Bununla birlikte, bu düşük dozaj 500 ml laktobasil bakımından zengin lahana turşusu suyu ile karıştırıldığında, kandaki Clostridium botulinum antikorlarında benzer bir önemli azalma ölçülebilmiştir.

Knutson ve arkadaşları (2006) Escherichia coli ve Salmonella typhimurium ile enfekte koyunları hayvan başına günde 77 g aktif biyokömür ile beslemiştir. Naka ve arkadaşları (2001) daha önce in vitro deneylerle E. coli O157: H7 (EHEC) hücre sayısının beş mg/ml aktif biyokömürle 5,33 × 106'dan 800'ün altına düştüğünü göstermiş olsa da, Knutson ve arkadaşlarının aynı aktif biyokömürle (DARCO-KB; Norit®) yaptığı in vivo test, koyunların gastrointestinal sisteminde biyokömürle ilişkili E. coli veya S. typhimurium bağlanması olmadığını ortaya koymuştur. Yazarlar, ya biyokömür bağlanma bölgelerinin rakip maddeler veya diğer sindirim bakterileri tarafından işgal edildiğini ya da patojen ile enfeksiyon ve biyokömür uygulaması arasındaki sürenin çok uzun olduğunu varsaymışlardır

Schirrmann (1984) biyokömürün yüksek metabolik aktiviteye sahip gram-negatif bakteriler (örneğin E. coli) için özellikle güçlü bir adsorpsiyon veya bastırma kapasitesine sahip olduğunu belirtmiştir (daha fazla bilgi için "Biyokömür Yeminin Uygulanması ve Biyokömür Kalite Kontrolü" bölümüne bakınız): Biyokömürün yan etkileri). Gübredeki E. coli sayısı, %0,25 aktif biyokömür veya %0,50 hindistan cevizi ağacı biyokömürü ile beslendikten sonra, 10 günlük bitirme domuz denemesinde biyokömürsüz kontrolden önemli ölçüde daha düşükken, dışkıdaki yararlı bakteri Lactobacillus sayısı her iki biyokömür uygulamasında da artmıştır (Kim ve ark., 2017).

Sıvı sığır gübresi genellikle su ve toprağı kirletebilen ve insan gıda zincirine girebilen E. coli O157: H7 (EHEC) içerir (Diez-Gonzalez ve ark., 1998). Biyokömür hem E. coli ve toksik metabolitlerini sindirim sisteminde adsorbe edebilir hem de gübreye eklenerek bu bakterilerin su ve toprakta yayılmasını azaltabilir. Gurtler ve arkadaşları (2014) çeşitli biyokömürlerin toprağa uygulandığında E. coli O157: H7'nin (EHEC) inaktivasyonu üzerindeki etkisini araştırmıştır. Anahtar otu, at gübresi veya sert ağaçtan hızlı veya yavaş piroliz yoluyla üretilen tüm biyokömürler EHEC konsantrasyonlarını önemli ölçüde azaltmış, arpa ve meşe kütüğü hammaddesinin hızlı pirolizi kirlenmiş toprak karışımında en iyi sonuçları vermiş, 4 hafta sonra EHEC kültivasyona dayalı bir değerlendirme kullanılarak izlenememiştir (Gurtler vd., 2014).

Abit ve diğerleri (2012) E. coli O157:H7 ve Salmonella enterica'nın suya doymuş ince kum veya kumlu balçık toprak kolonlarında, toprak kolonları %2 oranında farklı biyokömürlerle karıştırıldığında nasıl yayıldığını araştırmıştır. 350°C'de hazırlanan tavuk gübresi biyokömürü her iki bakterinin de bağlanmasını iyileştirmezken, 700°C'de çam ağacından veya tavuk gübresinden hazırlanan biyokömür ilavesi her iki bakterinin yayılmasını önemli ölçüde azaltmıştır. Daha sonra yapılan bir çalışmada, yazarlar iki bakteri türü arasında immobilizasyon açısından önemli farklılıklar olduğunu göstermiş ve bakterilerin yüzey özelliklerinin bu bakterilerin biyokömüre bağlanmasında önemli bir rol oynadığını öne sürmüşlerdir (Abit vd., 2014). İkincisi, biyokömür-bakteri etkileşimine dair önemli bir içgörü olabilir ve sistematik olarak araştırılması gerekir.

E. coli enfeksiyonlarının su yalakları yoluyla sığır sürülerine yayılması muhtemel olduğundan, yalak suyuna profilaktik olarak biyokömür eklenmesi daha fazla araştırılması gereken önleyici bir tedbir olabilir.

Watarai & Tana'nın (2005) çalışmasında, sırasıyla %1 ve %1,5 bambu biyokömürü ve bambu sirkesi içeren yem karışımı, tavuk dışkısındaki E. coli ve Salmonella seviyelerini hafif ama önemli ölçüde azaltmıştır. Bileşimi açıklanmayan patentli bir biyokömür-odun sirkesi ürünü olan Nekka-Rich (Besnier, 2014), tavuk dışkılarında Salmonella'nın oldukça önemli ölçüde azaldığını göstermiştir. Ayrıca biyokömür-ahşap sirke ürününün dışkıdaki patojenik gram-negatif Salmonella enterica bakterilerini azalttığı, ancak her yerde bulunan, toksik olmayan, gram-pozitif Enterococcus faecium bakterilerinin bağırsak florasını azaltmadığı bulunmuştur (Watarai & Tana, 2005).

0,3'lük bir bambu biyokömürü yem takviyesi (DM bazında), domuzlarda gram-negatif koliform bakterilerin ve gram-negatif Salmonella'nın dışkı ile atılımını biyokömürsüz kontrollere kıyasla sırasıyla 20 ve 1.100 kata kadar bastırmıştır (Choi ve ark., 2009). Biyokömürün her iki bakteri türünün baskılanması üzerindeki etkisi antibiyotiklerle aynı büyüklükte olmuştur. Biyokömürle besleme, antibiyotik tedavisine kıyasla faydalı bağırsak bakterilerinin sayısında 190 kat ve gram-pozitif Lactobacilli seviyesinde 48 kat artışla sonuçlanmıştır (Choi ve ark., 2009).

In vitro çalışmalar, biyokömürün yanı sıra kilin de sığır rotavirüs ve koronavirüslerini %79-99,99 oranında etkili bir şekilde hareketsiz hale getirebildiğini ortaya koymuştur (Clark vd., 1998). Viral partiküllerin çapı kilin gözenek çaplarından ve biyokömürün çoğu gözeneklerinden daha büyük olduğundan, yazarlar bağlanmanın esas olarak biyokömüre bağlanan viral yüzey proteinlerinden kaynaklandığından şüphelenmişlerdir.

Sığır buzağılarıyla yapılan in vitro ve in vivo deneyler, biyokömürün, özellikle odun sirkesi ile birlikte, parazitik protozoan Cryptosporidium parvum enfeksiyonunu kontrol edebildiğini ve buzağıların ishalini bir gün içinde durdurabildiğini göstermiştir. Dışkıdaki ookist sayısı biyokömürle beslemenin tek bir gününden sonra önemli ölçüde düşmüştür; 5 gün sonra buzağıların dışkısında artık ookist bulunamamıştır (Watarai, Tana & Koiwa, 2008). Ticari bir biyokömür odun asetik asit ürünü (Obionekk®, Obione, Charentay, Fransa) genç keçilerde yem katkı maddesi olarak test edildiğinde de benzer sonuçlar rapor edilmiştir (Paraud ve ark., 2011). Günde iki veya üç kez uygulanan karışım, daha ilk günden ishalin klinik belirtilerini azaltmış ve dışkıdaki ookist dökülmesi önemli ölçüde azalmıştır. Çalışma süresi boyunca, genç keçilerin ölüm oranı kontrol grubunda %20 iken, günde üç kez Obionekk® alan tedavi grubunda sadece %6,7 olmuştur. Keçilerde biyokömürle besleme, sestod tenyaları ve koksidya ookistleri gibi parazitlerin görülme sıklığını da azaltabilir (Van, Mui & Ledin, 2006).