Dissertation

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

Hanna Rieger

Untersuchungen zum Einfluss

einer unterschiedlichen Phosphorversorgung

auf die Entwicklung und Mineralisation

verschiedener Knochen wachsender Schweine

 

NBN-Prüfziffer

urn:nbn:de:gbv:95-110109

title (eng.)

Effects of a different phosphorus supply on the development and mineralisation of several bones in growing pigs

publication

Hannover, Tierärztliche Hochschule, Dissertation, 2017

text

http://elib.tiho-hannover.de/dissertations/riegerh_ss17.pdf

abstract (deutsch)

Vor dem Hintergrund zunehmend restriktiver Regelungen zur Düngung mit Phosphor (P) und auch in Anbetracht der Preisentwicklung für bestimmte P-Quellen im Mischfutter (MF) hat eine möglichst exakt am Bedarf ausgerichtete P-Versorgung von Schweinen große Bedeutung für die Mischfutterkonzeption. Mit der Zielsetzung, unter standardisierten Bedingungen anhand von Blut- und Knochenuntersuchungen sensitive Parameter zur Bewertung der P-Versorgung wachsender Schweinen zu finden und für die Diagnostik wichtige Vergleichs- bzw. Orientierungswerte zu generieren, wurden drei unterschiedliche Konzepte zur P-Versorgung von Schweinen in der Ferkelaufzucht (Durchgang 1, etwa 15 bis 35 kg Körpermasse) und in der Mast (Durchgang 2, 30 bis max. 95 kg Körpermasse) geprüft.

Die Kontrollgruppe (K) erhielt ein MF, dem sowohl eine anorganische P-Quelle (Mononatriumphosphat) als auch eine Phytase (500 FTU/kg) zugesetzt waren. Der Gesamt-P-Gehalt in den MF für die Kontrollgruppe variierte im Bereich von 4,57 bis 5,65 g/ kg TS in verschiedenen Phasen der Aufzucht bzw. Mast. Den Versuchsgruppen 1 und 2 wurde jeweils ein botanisch und – mit Ausnahme des P-Gehalts – auch chemisch vergleichbares MF angeboten, allerdings ohne jede anorganische P-Verbindung. Die MF-Varianten für die beiden Versuchsgruppen wiesen Gesamt-P-Gehalte zwischen 3,11 und 4,47 g/ kg TS in den verschiedenen Fütterungsphasen auf. Dem MF für die Versuchsgruppe 1 (V1) war – wie dem der Kontrollgruppe – eine Phytase (500 FTU/kg) zugesetzt, wohingegen die Versuchsgruppe 2 (V2) weder anorganischen P (Pi) noch einen Phytase-Zusatz über das MF erhielt („worst case“-Szenario, d. h. Phytase bei der MF-Herstellung inaktiviert).

Zu Beginn beider Durchgänge wurden jeweils vier Tiere seziert, um die Eigenschaften diverser Knochen vor der Phase einer unterschiedlichen P-Versorgung näher zu charakterisieren. Für die Untersuchungen während der Ferkelaufzucht erhielten insgesamt zwölf Tiere knapp fünf Wochen lang die drei unterschiedlichen MF-Varianten. Von diesen Tieren wurden in der Sektion verschiedene Knochen der Vorder- und Hintergliedmaße entnommen, an denen im Anschluss wesentliche Maße (u. a. Länge, Kompakta-Dicke) bestimmt wurden. Des Weiteren wurde die Dichte und die chemische Zusammensetzung der Knochen in toto bzw. zum Teil von einzelnen Epiphysen analysiert.

Der Einfluss der unterschiedlichen P-Versorgung in der Mast wurde an insgesamt 36 Tieren geprüft. Mit Erreichen einer mittleren Körpermasse (KM) von etwa 45, 65 und 95 kg erfolgte im Rahmen einer Sektion von jeweils zwölf Tieren die Entnahme von Knochen der Hintergliedmaße zwecks der o. g. Analysen.

Die wesentlichen Ergebnisse der Versuche werden nachfolgend zusammengefasst:

Leistungsdaten

In beiden Durchgängen blieben die KM-Zunahmen der Tiere beider Versuchsgruppen deutlich hinter jenen der Kontrolle zurück. In der Ferkelaufzucht führte dies nach knapp fünf Wochen zu 11,5 (V1) bzw. 18,0 % (V2) geringeren Körpermassen; in der Mast waren die mittleren Körpermassen am Versuchsende um etwa 12,5 (V1) bzw. 19,7 % (V2) reduziert, wenn dem MF keine anorganische P-Quelle zugesetzt war. Über die gesamte Versuchsdauer unterschied sich der Futteraufwand in den drei Gruppen in keinem der Durchgänge signifikant.

Ca- und P-Konzentration sowie die Aktivität der alkalischen Phosphatase im Serum

In der Ferkelaufzucht (Durchgang 1, DG 1) war am d34 eine Differenzierung der drei Gruppen anhand der P-Konzentration im Serum möglich (K: 2,06 ± 0,169; V1: 1,65 ± 0,082; V2: 1,21 ± 0,059 mmol P/l). Im zweiten Durchgang (DG 2, Mast) gelang dies nach knapp sieben Wochen (K: 2,38 ± 0,423; V1: 1,65 ± 0,111; V2: 1,32 ± 0,325 mmol P/l), weitere fünf Wochen später aber nicht mehr. Die Reduktion der P-Konzentration im Serum ging zumeist mit höheren Ca-Konzentrationen sowie einer höheren Aktivität der AP im Serum einher.

Knochenentwicklung und –mineralisation

Insgesamt wurde die Knochenlänge nur wenig durch die unterschiedliche P-Versorgung beeinflusst. Die Tiere beider Versuchsgruppen wiesen jedoch eine deutlich reduzierte Kompakta-Dicke an verschiedenen Knochen auf (DG 1: bis zu 33 bzw. 43 % in V1 und V2; DG 2: bis zu 42 bzw. 49 % in V1 und V2). Die absoluten Massen der einzelnen Knochen waren bei jenen Ferkeln, die ein MF ohne Pi‑Zusatz erhielten, um etwa 10 bis 14 % (V1) bzw. um etwa 16 bis 18 % (V2) geringer als bei den Kontrolltieren; bei den älteren Mastschweinen (DG 2) waren die Massen (absolut) von Knochen der Hintergliedmaße nach knapp zwölf Wochen um bis zu 22 (V1, dritter Metatarsalknochen) bzw. 27 % (V2, Femur) reduziert.

Verglichen mit den jeweils zu Versuchsbeginn untersuchten Tieren, wiesen die Tiere der Versuchsgruppe 2 in beiden Durchgängen stets eine geringere Knochendichte (archimedisches Prinzip) auf. In der Mast (DG 2) führte das Pi-freie MF ohne Phytase-Zusatz im Vergleich zum Kontrollfutter zu etwa 10 % geringeren Knochendichten. Mittels quantitativer Computertomografie waren im DG 1 an der Tibia nur in der Diaphyse signifikante Unterschiede nachweisbar (Gesamtdichte: 683 vs. 458 mg/mm³ in K und V2). In der Mast hingegen änderte sich die Bone Mineral Density stärker in den Epiphysen (bis zu 52 % geringer in V2 im Vgl. zur Kontrolle).

Die chemische Zusammensetzung spiegelte die unterschiedliche P-Versorgung von den verschiedenen Parametern am Knochen am deutlichsten wider; die Veränderungen waren dabei anhand der Ra-, Ca- und P-Gehalte in Bezug auf die fettfreie TS bzw. je cm³ am ausgeprägtesten. Die ohne Pi versorgten Absetzferkel wiesen um bis zu 39 % geringere Ra-Gehalte je cm³ auf; in Bezug auf die ffrTS waren die Ra-Gehalte um bis zu 24 % reduziert. Im DG 2 waren die Ra-Gehalte je cm³ in den Knochen der Kontrolltiere nach 82 Tagen zum Teil nahezu doppelt so hoch wie in den Knochen der Tiere aus Versuchsgruppe 2.

Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen, dass bei einem Verzicht auf jeglichen Zusatz von mineralischem Phosphor im Mischfutter für die Ferkelaufzucht bzw. im MF für die eigentliche Mast, von erheblichen Risiken für die Skelettgesundheit auszugehen ist – und zwar auch unter der Voraussetzung, dass dem Mischfutter eine Phytase in üblicher Dosierung (500 FTU/kg MF) zugesetzt ist, ganz abgesehen von dem „worst case“-Szenario (Aktivitätsverluste der zugesetzten Phytase).

Unter standardisierten Bedingungen spiegelte die P-Konzentration im Serum die unterschiedliche P-Versorgung weitestgehend wider, insbesondere bei den jüngeren Tieren. An den Knochen beeinflusste die unterschiedliche P-Versorgung den Aschegehalt deutlicher als die Knochendichte (archimedisches Prinzip). Änderungen der Knochenzusammensetzung wiederum waren in Bezug auf die ffrTS sowie je cm³ deutlicher zu erkennen als bezogen auf die uS bzw. TS. Unter den Voraussetzungen dieser Studie erwiesen sich die Ra-Gehalte der distalen Femur-Epiphyse bei sehr jungen Tieren bzw. bei den älteren Tieren auch diejenigen der proximalen Tibia/Fibula-Epiphyse als besonders sensitive Indikatoren der P-Versorgung.

abstract (englisch)

Due to restrictive regulations for the phosphorus (P) application on agricultural production land and economic importance of adding certain P sources to compound feed, the P supply of pigs is often limited to levels exactly meeting their demands in order to prevent avoidable high P consumption and following –excretion.

For assessment of P supply in growing pigs, three different feeding concepts of weaned piglets (trial 1, approximately 15 to 35 kg body weight) and fattening pigs (trial 2, approximately 30 to 95 kg body weight) were tested to investigate different bone and blood parameters regarding their sensitivity for detecting P deficiency under standardised conditions and to acquire data for bone characteristics in growing pigs as comparative values.

In both trials the control group (C) was offered a diet containing monosodium phosphate as inorganic phosphorus (Pi) source and a phytase (500 FTU/kg). The total P content was 4.57 ‑ 5.65 g/kg dry matter in the control diets for different feeding phases. Group 1 (G1) and 2 (G2) were fed botanically and, except the P content, chemically comparable compound feeds but without inorganic phosphorus. The total P content in the diets for these groups varied between 3.11 and 4.47 g P/kg dry matter. Whereas the diet for group 1 contained added phytase (equally to control diet: 500 FTU/kg) group 2 did neither receive Pi nor added phytase (“worst case” i. e. activity of added phytase was lost during feed production).

At the beginning of each trial four animals were euthanised to characterise bone properties without previous influence of the different P supply. In trial 1 a total of twelve piglets were allotted to the three treatments for nearly five weeks. At the end of the experiment all animals were dissected in order to acquire several fore and hind limb bones. Subsequently different measurements were conducted (including measurements of length, cortical thickness, bone density and chemical composition) using the bone in toto resp. one individual epiphyses in some cases. Trial 2 was performed with 36 fattening pigs. At approximately 45, 65 and 95 kg body weight each twelve animals were euthanised and within dissection several hind limb bones were removed for analytical purposes (as mentioned above).

Major findings of the present study are summarised below:

Performance

During rearing as well as during the fattening period body weight gain remained lower in group 1 and 2 (no inorganic phosphorus in the diet) compared to the control group. After scarcely five weeks this resulted in 11.5 (G1) resp. 18.0 % (G2) lower final body weights in trial 1. At the end of trial 2 final body weights were reduced by about 12.5 (G1) and 19.7 % (G2) respectively. In none of the trials the feed conversion ratio over the whole period was significantly influenced by the different P supply.

Ca and P concentration as well as the activity of alkaline phosphatase (AP) in the serum

At the end of trial 1 serum P of all three groups differed significantly (C: 2.06 ± 0.169, G1: 1.65 ± 0.082, G2: 1.21 ± 0.059 mmol P/l). In trial 2 significant differences in this parameter between all three groups only existed after approximately seven weeks of different P supply (C: 2.38 ± 0.423, G1: 1.65 ± 0.111, G2: 1.32 ± 0.325 mmol P/l) whereas another five weeks later serum P concentration differed only significantly between C and G2. In general, the reduction in serum P was accompanied by higher serum Ca concentration as well as higher activity of AP in the serum.

Bone development and mineralisation

Overall, bone length was only slightly reduced in case of bare or insufficient P supply. In contrast, cortical thickness of several bones was markedly reduced in both group 1 and 2 compared to the control group (trial 1: up to 33 and 43 % in G1 and G2; trial 2: up to 42 and 49 % in G1 and G2). In weaned piglets (trial 1) offered a compound feed without Pi weights (absolute) of individual bones were approximately 10 to 14 % (G1) or 16 to 18 % (G2) lower than in control animals. In fattening pigs (trial 2) weight reduction at the end of the experiment was most distinct in the third metatarsal bone (up to 22 % in G1) and femur (up to 27 % in G2).

Compared to the four younger pigs euthanised before the start of each trial bone density (Archimedes principle) was constantly lower in pigs of group 1 in both trials. In trial 2 offering a diet neither containing Pi nor added phytase resulted in approximately 10 % lower bone density at the end of the experiment compared to the control group. Bone mineral density (BMD) in tibiae of pigs measured via quantitative computer tomography in trial 1 only differed significantly in diaphyseal region (total BMD: 683 vs. 458 mg/mm³ in C and G2) whereas in trial 2 differences between groups were more severe in the epiphyseal region of the tibia (up to 52 % lower in G2 compared to C).

Considering all bone parameters investigated the different P supply was most precisely reflected by the chemical composition. Changes in Ca, P and bone ash contents were particularly obvious when related to fat-free dry matter or volume unit (cm³). Weaned piglets receiving neither Pi nor added phytase (group 2) showed a reduction in bone ash contents up to 39 (per cm³) or 24 % (in fat-free dry matter) respectively compared to the control group. At the end of trial 2 (after 82 days) bones of control animals partly contained twice as much ash per cm³ as the corresponding bones of animals from group 2.

 

To conclude, the results of this study demonstrate that rearing piglets as well as fattening pigs from 30 to 95 kg body weight without supplementating inorganic phosphorus to the diet was accompanied by a high risk for the skeletal health of pigs – even if phytase was added in common dosage (500 FTU/kg) to the compound feed. Not to mention the “worst case” scenario (reduction or even total loss of activity of added phytase).

Under standardised conditions serum P concentration did reflect the different P supply especially in the younger pigs. Chemical bone composition (ash content) was a more suitable indicator of the dietary P supply than the bone density (Archimedes principle). Moreover changes in chemical bone composition were more obvious when the data were based on the fat-free dry matter or cm³ than when they were related to fresh weight or dry matter. Therefore the drying and fat extraction before analysing the ash content is recommendable. Under the conditions of this study in very young piglets the ash content of the distal femur and in older individuals likewise of the proximal tibia/fibula were particularly sensitive indicators of P supply in growing pigs.

keywords

Phsophor, Knochen, Schweine, phosphorus, bone, pig

kb

1.728