Dissertation

Tierärztliche Hochschule Hannover / Bibliothek – School of Veterinary Medicine Hannover / Library

 

 

 Caroline Drong

 

 Effects of monensin and essential oils on ruminal fermentation, performance, energy metabolism and immune parameters of dairy cows during the transition period

 

NBN-Prüfziffer

urn:nbn:de:gbv:95-107966

title (ger.)

Effekte von Monensin und ätherischen Ölen auf die Pansenfermentation, die Leistung, den Energiemetabolismus und Immunparameter von Milchkühen während der Transitphase

publication

Hannover, Tierärztliche Hochschule, Dissertation, 2016

text

http://elib.tiho-hannover.de/dissertations/drongc_ss16.pdf

abstract (deutsch)

Durch genetischen Fortschritt und eine Verbesserung des Managements werden in der modernen Milchviehhaltung immer höhere Milchleistungen erzielt, während der Metabolismus der einzelnen Kühe so vermehrt vor Herausforderungen gestellt wird. Die abnehmende Futteraufnahme rund um die Abkalbung führt zusammen mit dem Bedarf des Fetus für das Wachstum und den Bedarf der einsetzenden Laktation zu einer negativen Energiebilanz der Kuh. Es ist nicht überraschend, dass in dieser frühen Phase der Laktation die höchste Inzidenz an Produktionserkrankungen vorliegt. Daher konzentriert sich das Gebiet der Rinderernährung seit langer Zeit auf die Erforschung von Maßnahmen, welche die Futteraufnahme, den Energiestatus, den Metabolismus und die Gesundheit der Milchkuh in dieser kritischen Phase unterstützen. Solche Eigenschaften wurden für das ionophore Antibiotikum Monensin nachgewiesen, da gezeigt wurde, dass es die mikrobielle Pansenflora hin zu Gram-negativen Bakterien verschiebt und so zu einer gesteigerten Propionatbildung und einer verminderten Methanbildung führt. Propionat stellt den Hauptvorläufer der hepatischen Glukoneogenese dar und könnte daher die Glukoseverfügbarkeit rund um die Abkalbung verbessern und so dem postpartalen Energiemangel entgegenwirken. Nachdem Antibiotika zur Leistungsförderung in der Europäischen Union verboten wurden, hat sich die Suche nach natürlichen Alternativen zu Monensin stark vermehrt und insbesondere die ätherischen Öle sind in den Fokus gerückt. Denn für diese sekundären Pflanzenmetaboliten konnte ebenfalls eine Beeinflussung der Pansenflora nachgewiesen werden, obwohl die Ergebnisse hinsichtlich des Fermentationsprofiles der kurzkettigen Fettsäuren nicht immer konstant waren sondern abhängig von der verwendeten Komponente und der Dosis. Vor Kurzem wurde Monensin als intraruminaler Bolus wieder in der Europäischen Union für hoch konditionierte Kühe als Tierarzneimittel kurz vor der Abkalbung zugelassen. Doch im Angesicht des öffentlichen Interesses für mögliche Rückstände von Antibiotika in Nahrungsmittel tierischen Ursprunges und der Entwicklung von bakteriellen Resistenzen, besteht nach wie vor Bedarf nach natürlichen Alternativen zu Monensin.

Den Blutmetaboliten nicht-veresterte Fettsäuren (NEFA) und beta-Hydroxybutyrat (BHB), welche besonders in Energiemangelsituation stark ansteigen, wird eine zentrale Rolle in der verminderten Immunfunktion rund um die Abkalbung nachgesagt. Daher stellt sich ebenso die Frage, ob Monensin und ätherische Öle auch einen Einfluss auf die Immunfunktion haben, zum einen indirekt, über eine Verbesserung des Energiehaushaltes der Kuh, oder aber direkt und so den Gesundheitsstatus in der frühen Laktation verbessern können.

Hierfür wurde eine Studie mit 60 multiparen Deutsch Holsteinkühen (mittlere Laktation 2,3 ± 1,4 (Standardabweichung)) durchgeführt, welche auf einem Tiermodell zur Untersuchung der subklinischen Ketose basierte. Die Kühe wurden 6 Wochen vor der Abkalbung entsprechend ihrer Körperkondition (BCS) in eine Gruppe geringerer (LC, n = 14) und höherer Kondition unterteilt. Letztere wurden in der Trockensteherphase überfüttert und in der frühen Laktation verzögert mit Energie versorgt, um eine negative Energiebilanz mit einhergehender Körperfettmobilisierung und Ketonkörperbildung hervorzurufen. Diese hoch konditionierten Tiere wurden entweder einer Kontrollgruppe zugeordnet (HC, n = 13) oder sie erhielten einen Monensin-freisetzenden intraruminalen Bolus 3 Wochen vor der Abkalbung (HC/MO, n = 14) oder ein Gemisch von ätherischen Ölen von Tag -21 bis Tag +56 bezogen auf die Abkalbung (HC/EO, n = 15).

Es wurden Futtermittelproben genommen und Leistungsparameter dokumentiert und des Weiteren Blut-, Pansensaft-, Milchproben und Leberbiopsien entnommen. Hierdurch wurden die Leistung und der Energiehaushalt der Kühe erfasst und das ruminale Fermentationsprofil, biochemische und hämatologische Variablen, Antikörper gegen das Bovine Virale Diarrhö Virus (BVBV) und die Populationen und Funktionen der Leukozyten ermittelt.

Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Ziele des Tiermodells erfolgreich erreicht wurden: Die Kühe konnten durch die Fütterung zur Abkalbung weiter zunehmen und haben nach dieser enorm in der Frühlaktation an Körpermaße verloren, wie man an den BCS und NEFA Werten erkennen kann. Die Prävalenz der subklinischen und klinischen Ketose (BHB > 1.2 mmol/L) lag in der HC Gruppe 36% höher als in der LC Gruppe. Im ruminalen Fermentationsprofil konnte eine gesteigerte Propionatbildung in der Monensingruppe, aber nicht in der ätherischen Öle Gruppe, nachgewiesen werden, welche in keiner der beiden Gruppen mit einer gesteigerten Blutglukosekonzentration einherging. Betrachtet man die Leistung der Kühe, konnten die Futteraufnahme (DMI) in der Laktation und die Milchmenge nicht durch die Supplemente verändert werden, aber Monensin führte zu einer gesteigerten Futtereffizienz (DMI/Energie-korrigierte Milch). Biochemische Parameter deuten darauf hin, dass in den hoch konditionierten Tieren eine verminderte Leberfunktion und -integrität vorlag, da die Konzentration im Blut von Bilirubin in allen hoch konditionieren Tieren und von Aspartat-Aminotransferase (AST), gamma-Glutamyltransferase (GGT) und Glutamat Dehydrogenase (GLDH) in der HC und HC/EO Gruppe erhöht waren. Monensin konnte die Konzentration von BHB im Blut senken, obwohl die NEFA Freisetzung unverändert war. Es führte zu einer geringeren Konzentration von Blutmetaboliten, die auf eine verminderte Hepatozytenintegrität hinweisen könnten. Die Immunparameter zeigten eine deutliche Beeinflussung durch die Abkalbung, wie es besonders an der Produktion von reaktiven Sauerstoffspezies (ROS) in den neutrophilen Granulozyten und den BVDV Antikörpertitern sichtbar wurde. Die Antikörperreaktion zeigte sich in der Monensin Gruppe besonders hoch in Vergleich zu der ätherischen Öle Gruppe.

Milchkühe, die vor der Abkalbung eine hohe Körperkondition aufweisen, scheinen von einem Monensin-freisetzenden Bolus 3 Wochen vor der Abkalbung zu profitieren, da eine erhöhte Bereitstellung von ruminalem Propionat für die hepatische Glukoneogenese die Energieverfügbarkeit der Kuh zu verbessern scheint und so vermutlich einen antiketogene Wirkung ausübt. Des Weiteren konnte so die Futtereffizienz in der Frühlaktation gesteigert werden. Außerdem lassen die Ergebnisse darauf schließen, dass Monensin direkte oder indirekte Effekte auf die Leber und das Immunsystem ausübt, welche noch weiterer Abklärung bedürfen. Für die supplementierte Dosis des Gemisches von ätherischen Ölen konnte kein Einfluss auf die ruminale Propionatbildung, den Energiehaushalt, die Leistung und die Gesundheit der Milchkühe nachgewiesen werden. Andere Komponenten der ätherischen Öle, andere Gemische und andere Dosen könnten möglicherweise bessere Ergebnisse erzielen.

 

abstract (englisch)

Genetic and management progress in modern dairy farming allow continuing increasing milk performance of herds whereas metabolism of individual cows often lags behind. The decreasing feed intake at calving together with growth of the fetus and the initiated lactation leads to a negative energy balance of the cow. It is not surprising that the highest incidence of production diseases can be found in early lactation. Therefore, ruminant nutrition has concentrated for a long time on measures to increase and improve feed intake, energy status, metabolism and health in these critical weeks around calving.

One approach is the modulation of fermentation processes in the rumen to increase efficiency to convert feed energy. The ionophore antimicrobial drug monensin was successfully applied for this intention as it leads to a shift of the ruminal microflora towards Gram-negative bacteria increasing propionate and decreasing methane production. Propionate is the main precursor of hepatic gluconeogenesis and may therefore improve glucose availability at calving and so antagonize the postpartal energy deficit. After the ban on antibiotics as feed additives in the European Union, the research in natural alternatives to ionophores was greatly enhanced while essential oils caught great interest. These secondary metabolites obtained from plant material also modulate the rumen microflora although changes in short-chain fatty acid profile are not consistent but dependent on used essential oils component and dose. Recently, monensin was relaunched in the European Union as a ruminal controlled-release capsule (CRC) indicated for high condition dairy cows administered just before calving. However, in times of public attention for possible antibiotic residues in milk and meat and the development of bacterial antibiotic resistances, the quest for alternatives to monensin still proceeds.

The blood metabolites non-esterified fatty acids (NEFA) and beta-hydroxybutyrate (BHB) that are high during negative energy balance were attributed an etiological involvement in an impaired immune cell function at calving. This raised the question if monensin and essential oils are able to influence immune function, either indirectly via an improved energy status or even directly, and so to contribute to an improved health status in early lactation.

Therefore, a study was conducted with 60 multiparous German Holstein cows (parity 2.3 ± 1.4 (SD)) based on an animal model to investigate subclinical ketosis. They were allocated 6 weeks before calving according to their body condition score (BCS) to high and low condition group (LC, n = 14) while an overfeeding in the dry period and an decelerated energy supple in the high condition group in early lactation was intended to provoke a negative energy balance with subsequent body fat mobilization and ketogenesis.  High condition cows formed a control group (HC, n = 13), received a monensin CRC 3 weeks before calving (HC/MO, n = 14) or a blend of essential oils from day -21 until day +56 relative to calving (HC/EO, n = 15).

Feedstuff samples and performance parameters together with samples of blood, rumen fluid and milk as well as liver biopsies were taken over the trial to assess performance, energy status, ruminal fermentation pattern, biochemical and hematological parameters, Bovine Viral Diarrhea virus (BVDV) antibody titer, leukocyte subsets and function.

Results imply that the purposes of the animal model were successfully achieved as all high condition cows further increased their body condition until calving and showed a massive loss of condition in early lactation as seen in BCS and also serum NEFA concentration. The prevalence of either subclinical or clinical ketosis (BHB > 1.2 mmol/L) was 36% higher in HC than in LC group. Ruminal fermentation pattern showed an increased propionate production in HC/MO but not in HC/EO cows which was not accompanied by a higher serum glucose concentration in both groups. Concerning performance, dry matter intake (DMI) and milk yield were not different after calving whereas monensin increased feed efficiency (DMI/energy-corrected milk). Biochemical parameters give evidence for an impaired liver function and integrity as displayed in increased bilirubin concentrations in all high condition cows and increased levels of aspartate-aminotransferase (AST), gamma-glutamyltransferase (GGT) or glutamine dehydrogenase (GLDH) after calving in HC and HC/EO group.  Monensin reduced serum BHB concentration although NEFA mobilization was unaltered and led to a reduced concentration of blood metabolites that may indicate in impaired hepatocyte integrity. Immune parameters were greatly influenced by the event of calving as seen in short-term effects on parameters like reactive oxygen species (ROS) production in polymorphonuclear cells and the BVDV antibody titer. From the immune parameters investigated, the BVDV antibody response was more pronounced in HC/MO compared to HC/EO.

Dairy cows with a high condition around calving may profit from a monensin CRC administered 3 weeks before calving, as the energy status was improved likely via an increased supply of ruminal propionate to hepatic gluconeogenesis exerting an antiketogenic effect. Furthermore, the feed efficiency was increased in early lactation. Results suggest direct or indirect monensin effects on the liver and the immune system while nature of these effects needs to be clarified further. The supplemented dose of a blend of essential oils showed no effect on ruminal propionate production, energy status, performance and health of transition dairy cows under the current conditions whereas other solitary components and combinations or doses may achieve better results.

 

keywords

Milchkuh, Monensin, ätherische Öle, dairy cow, monensin, essential oils

kb

1.674