Dissertation

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

 

Birgit Eva Meibaum

 

Untersuchungen zu den Auswirkungen des Klimawandels auf die ruminalen Fermentationsparameter von Maispflanzen sowie die Zusammensetzung der mikrobiellen Gemeinschaft in vitro.

 

NBN-Prüfziffer

urn:nbn:de:gbv:95-103296

title (engl.)

Study on the impact of climate changes on rumen fermentation parameters of maize plants and the microbial diversity in vitro.

publication

Hannover, Tierärztliche Hochschule, Dissertation, 2013

text

http://elib.tiho-hannover.de/dissertations/meibaumb_ss13.pdf

abstract (deutsch)

Im Zuge des Klimawandels werden zukünftig die Kohlendioxid-Konzentration in der Atmosphäre ([CO2]) ansteigen und die Trockenperioden während der Sommermonate zunehmen. Die Auswirkungen dieser Klimaänderungen auf den Stoffwechsel von Nutzpflanzen werden intensiv untersucht. Für die bedeutende Nutz- und C4-Pflanze Mais wurden Veränderungen in Photosyntheseleistung sowie Trockensubstanz (TS)-, Korn- und Gesamtertrag festgestellt, die zu unterschiedlichen Zusammensetzungen der Pflanzen bezogen auf die Rohnährstoffe und Detergentien-Fasern an der TS führen.

Mithilfe der Rumen-Simulationstechnik (RUSITEC) wurde in dieser Arbeit der Einfluss von Maispflanzen (Zea mays L., cv. Romario), die während der Aufwuchsphase einer erhöhten [CO2] (550 ppm CO2) und Trockenstress ausgesetzt waren, auf die ruminalen Fermentationsparameter und die Zusammensetzung der mikrobiellen Gemeinschaft in vitro untersucht. Es standen vier definierte Maisvarianten zur Verfügung, die pro Variante in drei RUSITEC-Fermentern inkubiert wurden: (A) 380 ppm CO2; (B) 550 ppm CO2; (C) 380 ppm CO2 + Trockenstress; (D) 550 ppm CO2 + Trockenstress. In einem zweiten Versuch wurden speziell die Veränderungen der Produktionsraten und der molaren Anteile der kurzkettigen Fettsäuren (SCFA) während der Äquilibrierungsphase bei Inkubation der beiden bewässerten Varianten (A und B) untersucht.

Es wurden charakteristische Ergebnisse für die In-vitro-Inkubation maisbasierter Substrate festgestellt: Sinkende molare Acetatanteile, steigende molare Propionat-, Butyrat- und Isovalerat-Anteile sowie sinkende Protozoa-Konzentrationen insbesondere während der Äquilibrierungsphase.

Allerdings konnten auch Einflüsse der Maisvarianten gezeigt werden. Die Inkubation der 550 ppm CO2 Varianten (B und D) ergab im Vergleich zu den 380 ppm CO2 Varianten (A und C) höhere Ammoniak (NH3)-N-Konzentrationen (p<0,05). Die Fermentation der Trockenstressvarianten (C und D) führte zu höheren pH‑Werten (p<0,01) und NH3-N-Konzentrationen (p<0,001) sowie zu geringeren Verdaulichkeiten der oS (p<0,05). Während der Äquilibrierungsphase konnten an zwei Tagen höhere SCFA- (p<0,05) und tendenziell höhere Acetat-Produktionsraten (p<0,1) der Variante B im Vergleich zu Variante A festgestellt werden. Im Gegensatz dazu konnte während der Versuchsphase kein Effekt der Maisvarianten auf die Produktionsraten und die molaren Anteile der SCFA, die Redoxpotentiale, die Produktion oder die Anteile der Fermentationsgase sowie die Anzahl der Protozoa gezeigt werden. Ferner ergab die Single-strand-conformation-polymorphism (SSCP)-Analyse keinen signifikanten Einfluss der Maisvarianten auf die Zusammensetzung der mikrobiellen Gemeinschaft.

Die Inkubation der vier unter verschiedenen klimatischen Bedingungen aufgezogenen Maispflanzen zeigte lediglich geringe Auswirkungen auf die Fermentationsparameter im In-vitro-Modell. Ein Grund dafür könnte das große Adaptationsvermögen der ruminalen mikrobiellen Gemeinschaft sein. Allerdings könnten die signifikanten Einflüsse auf die NH3-N-Konzentration und die Verdaulichkeit der oS in vitro auf einen veränderten Futterwert der Maisvarianten hinweisen.

 

abstract (englisch)

In response to climate changes CO2-concentrations in the atmosphere ([CO2]) will rise and drought stress during summer months will increase. The influence of climate changes on crop plant metabolism is studied intensively. For maize, an important C4‑plant and agricultural crop, changes in photosynthesis rate and dry matter (DM), kernel and total yield were observed, resulting in different crude nutrient and detergent fibre concentrations in relation to DM.

In this study the influence of maize plants growing under elevated [CO2] (550 ppm) and drought stress on rumen fermentation patterns, and microbial diversity in vitro was analyzed applying the rumen simulation technique (RUSITEC). Four defined maize variants were available to incubate in three RUSITEC-fermenters, respectively: (A) 380 ppm CO2; (B) 550 ppm CO2; (C) 380 ppm CO2 + drought stress; (D) 550 ppm CO2 + drought stress. In a second experiment only the well-watered variants (A and B) were used to analyze the particular changes in production rates and molar percentages of short chain fatty acids (SCFA) during the initial equilibration period of the in-vitro-system.

Typical results for in vitro incubation of maize based substrates were determined, as decreased molar percentage of acetate, increased molar percentages of propionate, butyrate, and iso-valerate, as well as decreased concentration of protozoa in the course of equilibration period.

Nevertheless, significant influences of maize variants have been detected. Incubation of 550 ppm CO2 variants (B and D) resulted in higher ammonia (NH3)‑N concentrations (p<0.05) in comparison to 380 ppm CO2 variants (A and C). Fermentation of drought-stressed variants (C and D) entailed increased pH values (p<0.01) and NH3-N concentrations (p<0.001) along with decreased digestibilities of organic matter (p<0.05). On two days during equilibration period variant B showed higher SCFA (p<0.05) and a tendency to increased acetate production rates (p<0.1) compared to variant A. In contrast, there was no effect of maize variants determined on redox potentials, productions rates and molar percentages of SCFA, productions rates and composition of fermentations gases, and concentration of protozoa during the experimental period. Furthermore, the single strand conformation polymorphism (SSCP)-analysis showed no significant influence of maize variants on microbial diversity.

The incubation of maize variants grown under different climatic conditions showed only minor influence on fermentation patterns in vitro. The reason for these findings might have been the pronounced adaptation capability of the rumen microbial community.  Though, the significant effect on NH3-N concentration and digestibility of organic matter in vitro might suggest an alteration in nutritional value of maize plants.

 

keywords

Klimawandel, C4-Pflanzen, RUSITEC, SSCP; climate change, C4-plant, RUSITEC, SSCP

kb

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