Response of urinary purine derivatives excretion to nutritional factors affecting ruminal microbial protein synthesis in cattle.

Ahnert, Veronika Sandra

The protein synthesis by rumen microbes plays a central role in ruminant nutrition, providing more than half of the essential amino acids that are available for absorption at the small intestine. Therefore, the accurate quantification of duodenal microbial crude protein (MCP) flow is a key issue in ruminant nutrition in order to provide especially high producing ruminants with adequate amounts of protein and to improve production performance and efficiency of nitrogen utilization. The excretion of purine derivatives (PD) via the urine is a non-invasive indicator for estimating duodenal MCP flow in ruminant animals and has the potential to be used even under on-farm conditions. The overall aim of this thesis was to investigate the response of urinary PD excretion to nutritional factors affecting ruminal MCP synthesis in two animal studies in order to evaluate the accuracy and validity of this indicator to reflect changes in MCP supply. In the first study, four rumen-cannulated heifers were infused intraruminally with increasing dosages of glucose, a rapidly fermentable carbohydrate source, to stimulate MCP synthesis and to verify the linearity between glucose dosage and urinary PD excretion. Urinary PD excretion increased with glucose infusion, however, against our expectations, the relationship between glucose dosage and urinary PD excretion was not linear. A pronounced increase in PD excretion was observed at lowest glucose dosage and any increment in glucose dosage did not lead to further increments. In contrast, fecal nitrogen excretion linearly increased with increasing glucose dosage which is most likely due to a greater excretion of MCP synthesised in the rumen. This contradicting response between urinary PD and fecal nitrogen excretion to incremental dosages of glucose infusion is at least attributed to shifts in the species composition of rumen microbial consortium causing changes in the purine concentration of the microbial biomass, limiting the accuracy of the urinary PD excretion as a non-invasive indicator. In the second study, six rumen-cannulated heifers were used to investigate the effects of intraruminal infusion of increasing dosages of commercial Quebracho tannin extract (QTE), a condensed tannin source, on apparent total tract nutrient digestibilities, nitrogen balance, and urinary PD excretion. Moderate to high QTE dosages (≥ 4 % of dry matter intake) reduced apparent total tract digestibility of organic matter especially that of structural carbohydrates, lowering energy supply to the host. The QTE infusion greatly shifted nitrogen excretion towards feces, which is desired from an environmental perspective. Urinary PD excretion declined linearly with increasing QTE dosage reflecting a decrease in duodenal MCP flow which is mainly attributed to inhibiting effects of QTE infusion on rumen microbial growth. At moderate to high QTE dosages, it is unlikely that the increase in rumen-escape protein will lead to greater post-ruminal amino acid absorption due to pronounced reductions in duodenal MCP flow. According to these findings, the addition of QTE to ruminant diets does not improve protein supply and performance of cattle. The results of the present thesis indicate that the urinary PD excretion as a non-invasive indicator appears to be able to reflect changes in duodenal MCP flow. However, for situations when considerable amounts of rapidly fermentable carbohydrates and condensed tannins are part of the diet, the accuracy of estimating duodenal MCP flow from urinary PD excretion is limited.

Die Synthese des mikrobiellen Rohproteins im Pansen spielt in der Ernährung von Wiederkäuern eine zentrale Rolle, da sie mehr als die Hälfte der essentiellen Aminosäuren für die Absorption am Dünndarm bereitstellt. Aus diesem Grund ist die genaue Quantifizierung des duodenalen mikrobiellen Proteinflusses von entscheidender Bedeutung, um vor allem hochleistende Wiederkäuer adäquat mit Protein zu versorgen und dabei die Tierleistung und Effizienz der Stickstoffverwertung zu verbessern. Die Ausscheidung von Purinderivaten im Urin ist ein nicht-invasiver Indikator zur Schätzung des duodenalen mikrobiellen Proteinflusses und hat zudem das Potential, auch unter praktischen Haltungsbedingungen Anwendung zu finden. Die Zielsetzung der vorliegenden Arbeit lag darin, die Reaktion der Purinderivatausscheidung im Urin auf nutritive Faktoren, welche die ruminale mikrobielle Proteinsynthese beeinflussen, im Rahmen von zwei Tierversuchen zu untersuchen. Dabei stand die Bewertung dieses Markers hinsichtlich seiner Genauigkeit und Validität, Veränderungen des duodenalen mikrobiellen Proteinflusses zu erkennen, im Vordergrund. Im ersten Tierversuch wurde vier fistulierten Färsen steigende Mengen Glukose intraruminal appliziert. Ziel war es dabei, die mikrobielle Proteinsynthese zu stimulieren und zu prüfen, ob die Beziehung zwischen Glukosemenge und Purinderivatausscheidung im Urin linear ist. Die Purinderivatausscheidung im Urin nahm mit steigender Glukosemenge zu, jedoch war die Beziehung zwischen renaler Purinderivatausscheidung und verabreichter Glukosemenge nicht linear. Der größte Anstieg in der Purinderivatausscheidung trat bei der geringsten Glukosezulage (125 g/Tag) auf. Ein weiterer Anstieg in der Purinderivatausscheidung konnte auch mit steigenden Glukosemengen (bis 1000 g/Tag) nicht beobachtet werden. Die Kotstickstoffausscheidung nahm hingegen mit steigender Glukosemenge linear zu, was hauptsächlich auf eine erhöhte Ausscheidung von mikrobiellem Protein, aufgrund einer erhöhten mikrobiellen Proteinsynthese im Pansen, zurückgeführt werden kann. Der Widerspruch zwischen der Purinderivatausscheidung im Urin und der Kotstickstoffausscheidung mit steigender Glukosemenge liegt teilweise in einer Verschiebungen der Zusammensetzung der mikrobiellen Population im Pansen begründet, welche zu einer Veränderung der Konzentration an Purinbasen in der mikrobiellen Biomasse führt. Da im Modell von einer konstanten Purinbasenkonzentration ausgegangen wird, reduzieren Veränderungen die Genauigkeit der Purinderivatausscheidung als Indikator. Im zweiten Tierversuch mit sechs fistulierten Färsen wurde der Einfluss von steigenden intraruminal applizierten Dosierungen von Quebracho Tannin Extrakt (QTE), einer kondensierten Tanninquelle, auf die scheinbaren Nährstoffverdaulichkeiten, die Stickstoffbilanz und die Purinderivatausscheidung, untersucht. Dosierungen von ? 4 % QTE (der Trockenmasseaufnahme) reduzierten die scheinbare Gesamttraktverdaulichkeit der organischen Substanz und vor allem die der Strukturkohlenhydrate, was zu einer Verringerung der Energieversorgung der Tiere führte. Durch das QTE kam es zu einer deutlichen Verschiebung der Stickstoffausscheidung vom Urin zum Kot, was unter dem Gesichtspunkt des Umweltschutzes einen positiven Effekt darstellen könnte. Die Purinderivatausscheidung im Urin nahm linear mit steigender QTE Dosierung ab, was auf eine Abnahme des duodenalen mikrobiellen Proteinflusses hindeutet und vor allem auf eine hemmende Wirkung des QTE auf die Pansenmikroben zurückgeführt werden kann. Es erscheint unwahrscheinlich, dass der erhöhte Fluss von unabgebautem Protein aus dem Pansen bei mittlerer bis hoher QTE Dosierung die Reduktion des mikrobiellen Proteinflusses am Duodenum ausgleichen kann. Es konnte somit kein Hinweis auf eine Verbesserung der Proteinversorgung und Leistung bei Wiederkäuern durch die Zugabe von QTE gefunden werden. Die Ergebnisse dieser Versuche deuten darauf hin, dass die renale Purinderivatausscheidung geeignet ist, Veränderungen des duodenalen mikrobiellen Proteinflusses zu erkennen. Bei Rationen, welche hohe Gehalte an schnell fermentierbaren Kohlenhydraten und kondensierten Tanninen enthalten, kann es zu Ungenauigkeiten in der Schätzung des mikrobiellen Proteinflusses am Duodenum kommen.

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Ahnert, Veronika Sandra: Response of urinary purine derivatives excretion to nutritional factors affecting ruminal microbial protein synthesis in cattle..

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