Přírodní a syntetické látky jako manipulátory bachorové fermentace

Ing. Mariana Vadroňová

Doctoral thesis

Natural and synthetic compounds as manipulators of rumen fermentation

Anotácia:

Rostoucí světová populace a měnící se klimatické podmínky vyvíjejí velký tlak na živočišnou produkci; je nutné zvýšit efektivitu produkce, ale zároveň snížit emise skleníkových plynů emitovaných hospodářskými zvířaty. Nejpodstatnějšími plyny od hospodářských zvířat jsou oxid dusný a metan. Metan přirozeně vzniká v bachoru přežvýkavců a představuje přibližně 6 % celkových antropogenních emisí SP, přičemž mléčný skot produkuje téměř 57 % ze všech emisí pocházejících ze živočišné produkce. Tato doktorská disertační práce je koncipována jako soubor čtyř vědeckých publikací zaměřujících se na využití krmných doplňkových látek ke zvýšení efektivity bachorové fermentace. Konkrétním cílem bylo ověření schopnosti vybraných látek snížit metanogenezi bez snížení celkové produkce těkavých mastných kyselin (TMK), stravitelnosti krmiva, a bez snížení efektivity využití dusíku. V rámci experimentů byly testovány látky s různými mechanismy účinku snižování metanogeneze. Nejprve byly ověřovány účinky tří koncentrací (1, 10, 100 mg/l) tří statinů (atorvastatin, simvastatin a rosuvastatin), sekundárních metabolitů hub, které přímo mohou inhibovat metanogeny. Účinek statinů byl závislý na jejich typu a dávce, kdy nejefektivnějším inhibitorem metanogeneze (−26,5 %) byl simvastatin (100 mg/l), který však také inhiboval celkovou produkci TMK. Pro minimalizaci negativních účinků vysokých dávek na bachorovou fermentaci byla testována kombinace nízkých dávek mastných kyselin se středně dlouhým řetězcem (MCFA) s dusičnany (NT). MCFA i NT mají antimikrobiální vlastnosti a NT jsou navíc alternativní akceptory elektronů v bachoru (jímají vodík). In vitro bylo nejefektivnější ošetření kyselinou kaprinovou (C10) v kombinaci s kyselinou laurovou (C12) a NT (250 mg/l + 250 mg/l + 3,65 mM). Snížení metanogeneze (−34,2 %) bylo doprovázeno zvýšením relativní četnosti bakteriální čeledi Succinivibrionaceae a snížením čeledi Ruminococcaceae. V navazujícím in vivo pokusu byla dále ověřována kombinace C10+C12, protože v dlouhodobých inkubacích NT neprohloubily antimetanogenní účinek MCFA. In vivo nízké dávky C10+C12 snížily metanogenezi pouze o 11,5 %, a navíc snížily efektivity využití dusíku (N) v bachoru (zvýšily emise oxidu dusného a koncentrace amonného N v bachoru). Ke snížení efektivity využití dusíku pravděpodobně došlo kvůli zvýšení relativní četnosti bakterií rychle produkujících amoniak (zástupci třídy Clostridia) a dále snížením relativní četnosti bakterií pomalu uvolňujících amoniak (zástupců čeledi Prevotellaceae), které umožňují jeho efektivní využití. Poznatky předložené doktorské disertační práce přispívají k rostoucímu množství znalostí potřebných k udržitelnému zemědělství.

Abstract:

Growing world population and changing climate conditions are putting great pressure on livestock production; it is necessary to increase production efficiency to have sufficient food supply, but at the same time its imperative to reduce greenhouse gas (GHG) emissions from farm animals. The most important gases from livestock are nitrous oxide and methane. Methane is naturally produced in the rumen of ruminants and accounts for approximately 6% of total anthropogenic emissions of GHG, with dairy cattle producing nearly 57% of all emissions from livestock production. This doctoral dissertation is conceived as a set of four scientific publications focusing on the use of feed additives to increase the efficiency of rumen fermentation. The specific goal was to verify the ability of selected feed additives to reduce methanogenesis without reducing the total production of volatile fatty acids (VFA), feed digestibility, and without reducing the efficiency of nitrogen use. As part of the experiments, substances with different modes of action of reducing methanogenesis were tested. First, the effects of three concentrations (1, 10, 100 mg/L) of three statins (atorvastatin, simvastatin and rosuvastatin), secondary metabolites of fungi that can directly inhibit methanogens, were tested. The effect of statins was dependent on their type and dose, where the most effective inhibitor of methanogenesis (−26.5%) was simvastatin (100 mg/L), which, however, also inhibited total VFA production. To minimize the negative effects of high doses on ruminal fermentation, combinations of low doses of medium chain fatty acids (MCFA) with nitrates (NT) were tested. Both MCFA and NT have antimicrobial properties, and NT are also alternative electron acceptors in the rumen (they act as hydrogen sink). In vitro, the most effective treatment was capric acid (C10) in combination with lauric acid (C12) and NT (250 mg/L + 250 mg/L + 3.65 mM). The decrease in methanogenesis (−34.2%) was accompanied by an increase in the relative abundance of the bacterial family Succinivibrionaceae and a decrease in the family Ruminococcaceae. In a follow-up in vivo experiment, only the C10+C12 combination was further verified, because in long-term incubations NT did not increase the antimethanogenic effect of MCFA. In vivo, low doses of C10+C12 reduced methanogenesis by only 11.5%, and in addition reduced nitrogen (N) utilization efficiency in the rumen (increased nitrogen oxide emissions and rumen ammonium N concentrations). This probably occurred due to an increase in the relative abundance of bacteria that quickly produce ammonia (representatives of the Clostridia class) and a further decrease in the relative abundance of bacteria which slowly release ammonia (representatives of the Prevotellaceae family), and thus enable its efficient use. The knowledge presented in the doctoral dissertation contributes to the growing body of knowledge needed for sustainable agriculture.

Kľúčové slová

Přežvýkavec, bachorová fermentace, metanogeneze, statiny, mastné kyseliny se středně dlouhým řetězcem, dusičnany

Keywords

Ruminant, rumen fermentation, methanogenesis, statins, medium-chain fatty acids, nitrates

Jazyk práce: Czech

Datum vytvoření / odevzdání či podání práce: 8. 8. 2024

Obhajoba závěrečné práce

• Vedúci: doc. Ing. Petr Homolka, CSc. Ph.D.
• Oponent: Miloslav Šoch, Ing., externi, Eva Straková, Bc., externi, Jan Kopečný, JUDr., externi

Czech University of Life Sciences Prague

Faculty of Agrobiology, Food and Natural Resources

Doctoral programme:
Animal Science