Effect of carbohydrate composition of the diet and ruminal fluid passage on microbial transformations in the rumen

by Friederike Pfau
Cumulative thesis
Date of Examination:2023-11-30
Date of issue:2024-02-09
Advisor:Prof. Dr. Jürgen Hummel
Referee:Prof. Dr. Jürgen Hummel
Referee:Prof. Dr. Karl-Heinz Südekum
Persistent Address: http://dx.doi.org/10.53846/goediss-10312

 

 

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Abstract

English

The aim of this study was to investigate certain effects on the microbial crude protein (MCP) production in the rumen and to investigate mechanisms which could promote the ruminal MCP yield to enhance the MCP supply to the ruminant. Due to the high protein requirements due to lactation, this is particularly important for high yielding dairy cows. First, the MCP yield of different pure carbohydrates and different feeds, which differ considerably in their carbohydrate composition, respectively, was investigated. Further, the impact of fluid passage rate (dilution rate [DL]) on MCP production was examined. The third question, which was explored, was if there is a different in mean retention time (MRT) of feed particles and fluid in the rumen of cattle and sheep and if relating thereto a difference in MCP production between the species could be obtained. For the first part of this study, fermentation characteristics and MCP production of four different pure carbohydrates (sucrose, starch, cellulose and pectin) were investigated in vitro by the modified Hohenheim gas test (HGT). After 8 and 24 h of incubation in the modified HGT (3 runs × 2 syringes) measurements of gas production (GP), short chain fatty acid and ammonia concentration were conducted. Ammonia values were used for estimation of the MCP formation. Additionally, the substrates were incubated for 96 h in the HGT system (2 runs × 3 syringes) and GP was measured after 2, 4, 6, 8, 12, 16, 24, 30, 36, 48, 60, 72 and 96 h of incubation to obtain the fermentation kinetics and the time of half‐maximal GP (t1/2) of the substrates. The pure carbohydrates differed considerably in their fermentation kinetics. At t1/2, MCP yield [g/kg dry matter] was higher for cellulose than for sucrose and pectin and higher for starch than for sucrose and MCP [g/L GP] was higher for starch and cellulose than for sucrose and pectin. These findings show, that different carbohydrates vary in their MCP yield, especially cellulose promotes higher MCP production. However, the slower fermentation rate of cellulose has to be kept in mind. In the second part of this study, three commonly used feeds (barley grain [BG], beet pulp [BP], and soybean hulls [SBH]) were incubated together with a mixture of grass hay and rapeseed meal in two identical Rumen simulation technique (Rusitec) apparatuses (each 6 vessels). Additionally, differences in DL were simulated by infusing artificial saliva at two different rates (1.5% [low] and 3.0% [high] of fermenter volume per h). This resulted in six treatments tested in 3 runs. The system was adapted for 7 d, followed by 4 d of sampling. Production of MCP was estimated by 15N analysis. Production of MCP (mg/g degraded organic matter [dOM]) was higher for SBH compared to both BG and BP and greater with high DL. High DL reduced organic matter degradability (OMD) and methane production (both /d and /g dOM) compared to low DL. Feeds with different carbohydrate composition varied in their MCP yield, especially SBH containing mostly cellulose promoted a higher MCP production. However, the lower OMD of SBH have to be kept in mind. Additionally, increasing fluid passage rate showed the potential to increase MCP and decrease methane production at the same time. In the third part of this study, the hypothesis of a systematical difference between cattle and sheep in MRT of particle and fluid and its ratio (MRTparticle/MTRfluid = selectivity factor [SF]) as well as in the apparent digestibility of crude protein (aD CP) were investigated in a meta-analysis. Keeping the microorganism in a state of more intense growth due to a more pronounced digesta ‘washing’ by a higher SF should lead to an increase in MCP yield and therefore should increase the metabolic losses of fecal nitrogen of microbial origin and decrease the aD CP simultaneously (true digestibility of protein not being influenced). The datasets included 12 studies on MRT (of which 11 contained information on feed intake), yielding 102 (or 89) individual data; and 26 studies on protein digestibility (of which 18 contained information on intake), yielding 349 individual data. Only studies that investigated cattle and sheep simultaneously were used. Cattle had a higher SF than sheep, mainly due to longer MRTparticle. Only if body mass was included in the model, MRTfluid was significantly shorter in cattle in the larger MRT dataset. Cattle had a significantly lower aD CP than sheep, while there was no such difference in overall (dry or organic matter) digestibility. These findings indicate that cattle are especially good in maximizing the ruminal MCP yield. In conclusion, MCP production is affected by carbohydrate source or feedstuff composition, by DL and by SF. However, not all studies in the literature found the same effects and transferability from in vitro data into in vivo is challenging and not without limits. Also, optimizing diets for a maximal MCP yield is not easy as various other factors affecting MCP production in the rumen as well. Further research is needed for a more precise understanding of the complex relationships between diet, feedstuff and carbohydrate composition, MRT, animal individual factors and MCP production in the rumen.
Keywords: microbial protein; Hohenheim gas test; Rumen simulation technique (Rusitec); dilution rate; pectin; starch; cellulose; sucrose; barley grain; sugar beet pulp; soybean hulls; microbial growth; fermentation products; passage rate; retention time; cattle sheep comparison

German

Ziel dieser Studie war es Faktoren zu untersuchen, die die Produktion des mikrobiellen Rohproteins (MCP) im Pansen beeinflussen können, und Mechanismen zu untersuchen, die den ruminalen MCP-Ertrag unterstützen können und dadurch die Versorgung des Wiederkäuers mit MCP erhöhen. Aufgrund des besonders hohen Proteinbedarfs für die Milchbildung ist dies besonders wichtig für hochleistende Milchkühe. Zuerst wurde die MCP-Produktion verschiedener Kohlenhydrate bzw. verschiedener Futtermittel, welche sich deutlich in ihrer Kohlenhydratzusammensetzung unterscheiden, untersucht. Des Weiteren wurde der Einfluss der Flüssigkeitspassagerate (Verdünnungsrate [DL]) auf die MCP-Produktion untersucht. Die dritte Fragestellung, die untersucht wurde, war, ob ein Unterschied zwischen Rindern und Schafen in der mittleren Verweildauer (mean retention time [MRT]) von Futterpartikeln und Flüssigkeit im Pansen besteht und sich dadurch ein Unterschied in der MCP-Produktion zwischen den Spezies ergibt. Für den ersten Teil der Arbeit wurden vier verschiedene Kohlenhydrate (Saccharose, Stärke, Zellulose und Pektin; alle als Reinsubstanzen) mittels des erweiterten Hohenheimer Futterwerttestes (HFT) auf ihr Fermentationsverhalten und ihr Potential für die MCP-Bildung in vitro untersucht. Dafür wurden sie für 8 und 24 h für die Messung der Gasproduktion und des Ammoniumgehaltes im erweiterten HFT (3 Läufe × 2 Spritzen) inkubiert. Die Ammoniumgehalte wurden zur Schätzung der MCP-Bildung verwendet. Zusätzlich wurden die Substrate für 96 h im HFT mit detaillierter Gasproduktionsmessung nach 2, 4, 6, 8, 12, 16, 24, 30, 36, 48, 60, 72 und 96 h zur Bestimmung der Fermentationskinetik und des Zeitpunktes der halbmaximalen Gasbildung (t1/2) inkubiert. Die Fermentationskinetik der Kohlenhydrate im HFT unterschieden sich deutlich voneinander. Bei t1/2 war der MCP-Ertrag [g/kg Trockenmasse] der Zellulose größer als von Saccharose und Pektin und der MCP-Ertrag von Stärke größer als von Saccharose. Stärke und Zellulose hatten eine höhere MCP-Produktion [g/L Gasproduktion] als Saccharose und Pektin bei t1/2. Die Ergebnisse zeigen, dass verschiedene Kohlenhydrate sich in ihrem MCP-Ertrag unterscheiden und besonders Zellulose eine höhere MCP-Produktion fördert. Allerdings muss hierbei die langsamere Fermentationsrate von Zellulose gegenüber den anderen Substraten berücksichtigt werden. Im zweiten Teil der Arbeit wurden drei verschiedene Futtermittel (Gerste [BG], Zuckerrübenschnitzel [BP] und Sojaschalen [SBH]) zusammen mit einer Mischung aus Grasheu und Rapsextraktionsschrot in zwei identischen Pansensimulationsystemen (Rusitec) (jeweils mit 6 Fermentern ausgestattet) inkubiert. Zusätzlich wurden zwei verschiedene Flüssigkeitspassagen (Verdünnungsrate; DL) mittels niedriger (1.5% [low DL]) und hoher (3.0% [high DL] des Fermentervolumens pro h) Infusionsrate der Pufferlösung (künstlicher Speichel) in die Fermenter simuliert. Daraus ergaben sich sechs verschiedene Behandlungen, die in jeweils 3 Läufen getestet wurden. Die Adaptationszeit betrug 7 d mit nachfolgenden 4 d Sammelperiode. Die MCP-Produktion wurde mittels 15N-Analyse bestimmt. Die MCP-Bildung [mg/g abgebaute organische Masse (dOM)] der SBH war höher im Vergleich zu BG und BP und größer mit high DL. Die Abbaubarkeit der organischen Masse (OMD) und die Methanproduktion [sowohl pro Tag und als auch pro g dOM] war mit high DL verringert. Der MCP-Ertrag variierte mit den Futtermitteln, die sich deutlich in ihrer Kohlenhydratzusammensetzung unterschieden. Besonders die SBH, die größtenteils aus Zellulose bestehen, haben die MCP-Produktion gefördert. Allerdings muss die geringere OMD der SBH im Vergleich zu BG und BP berücksichtigt werden. Des Weiteren hat eine Erhöhung der Flüssigkeitspassagerate im Pansen das Potential gleichzeitig MCP-Bildung zu erhöhen und die Methanproduktion zu reduzieren. Im dritten Teil der Arbeit wurde mittels Metaanalyse die Hypothese eines systematischen Unterschiedes zwischen Rindern und Schafen in der MRT von Partikeln und Flüssigkeit und deren Verhältnis (MRTparticle/MRT fluid = selectivity factor [SF]) sowie der scheinbaren Verdaulichkeit des Rohproteins (aD CP) untersucht. Wenn die Mikroorgansimen durch ein vermehrtes „Waschen“ der Futterpartikel durch einen höheren SF mehr im Wachstumsstadium gehalten werden, sollte dies zu einem erhöhten MCP-Ertrag und gleichzeitig zu einer Erhöhung der metabolischen Verluste von mikrobiellem Stickstoff im Kot und damit zu einer geringeren aD CP führen (bei gleichzeitig nicht beeinflusster wahrer Verdaulichkeit des Rohproteins). Dazu wurde ein Datensatz mit 12 Studien zur MRT mit 102 Einzeldaten, von denen 11 Studien (89 Einzeldaten) Informationen zur Futteraufnahme enthielten, und ein weiterer Datensatz mit 26 Studien zur aD CP, von denen 18 Informationen zur Futteraufnahme enthielten, mit 349 Einzeldaten erhoben. Es wurden ausschließlich Studien verwendet, die gleichzeitig Daten zu Rindern und Schafen erhoben haben, die mit derselben Ration gefüttert wurden. Rinder hatten einen höheren SF als Schafe, hauptsächlich durch eine längere MRTparticle. Die aD CP der Rinder war geringer als die der Schafe, während sich die generelle Verdaulichkeit (der Trocken- oder organischen Substanz) nicht unterschieden. Die Ergebnisse weisen darauf hin, dass Rinder besonders gut den ruminalen MCP-Ertrag maximieren können. Abschließend lässt sich festhalten, dass die MCP-Produktion von der Kohlenhydratquelle bzw. der Futtermittelzusammensetzung, der Flüssigkeitspassagerate und dem SF beeinflusst wird. Allerdings finden in der Literatur nicht alle Studien dieselben Effekte und der Übertragbarkeit der in vitro Ergebnisse auf das Tier sind naturgemäß gewisse Grenzen gesetzt. Zusätzlich ist es nicht einfach, Rationen für eine optimale MCP-Bildung zu optimieren, da auch viele andere Faktoren die MCP-Bildung beeinflussen. Für ein genaueres Verständnis der komplexen Zusammenhänge zwischen Ration, Futtermittel- und Kohlenhydratzusammensetzung, MRT, tierindividuellen Faktoren und der MCP-Bildung im Pansen besteht weiterer Forschungsbedarf.
 
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