Stiftung Tierärztliche Hochschule Hannover (TiHo)

The effects of a subacute rumen acidosis and the subsequent recovery process on fermentation patterns and the microbial community using the Rumen Simulation Technique

Orton, Theresa Wilhelmina

Subacute rumen acidosis is a common disorder in cattle. At the beginning of lactation and during the finishing period, the energy need of dairy and beef cattle significantly increases. This energy demand is met by an intense concentrate supply. Concentrates provide a great amount of easily fermentable carbohydrates, which are degraded into short chain fatty acids (SCFA) by the microbial community in the rumen. The accumulation of SCFA leads to a decrease in ruminal pH. Subacute rumen acidosis (SARA) occurs, when the acid accumulation exceeds the ruminal absorption and buffering capacity and the pH decreases below physiological thresholds. During SARA conditions, the degradation of organic matter is impaired and the SCFA pattern changes due to alterations in the microbial community. Mostly, affected animals appear with mild unspecific symptoms, such as a reduced feed intake, diarrhea, and a decreased milk fat production. The rumen acidosis is a widely spread problem, which affects animal wellbeing and has a great financial impact on the farmer. Therefore, rumen acidosis has been a major topic in research for the past decades. This study aimed to establish an in vitro model to mimic subacute rumen acidosis under laboratory conditions. In the present study, we observed the impact of SARA in the Rusitec system on the fermentation pattern and the bacterial community. Moreover, we observed the recovery process of the fermentation pattern and the ability of the bacterial community to regenerate from SARA within the microbial community. The experimental trials consisted of an initial equilibration period, followed by a first control period, the acidosis challenge, and a second control period for regeneration. During the acidosis period, we induced low pH values by reducing the buffer capacity of the artificial saliva and by variations in the concentrate supply. Two acidosis buffers were each combined with three feeding groups, with differing roughage-to-concentrate ratios. The infusion of either one of the acidosis buffer solutions lead to an immediate decrease in pH, which subsequently turned into a steady state. A sudden increase of concentrate, however, did not affect the pH value in the Rusitec. After acidosis induction, the total SCFA and acetate production decreased. This was reflected in a diminished diversity of the bacterial community and a reduced abundance of fibrolytic bacteria. During the acidosis period, the lactate concentration slightly increased, which was presumably linked to an increase of lactate producing and utilizing bacteria. The feed alterations among groups had an impact on the NH3-N and acetate concentration in the Rusitec vessels. When the regeneration period was induced, the pH immediately increased. This was accompanied with a recovery of most of the analyzed biochemical and microbial parameters. With the present study we proved, that fermentation parameters and the bacterial population are able to recover from SARA in the Rusitec system. Therefore, this in vitro approach successfully provides a model, which is able to mimic the bacterial and fermentative variations during and after acidotic bouts. As in vivo SARA occurs repetitively, it would be of great interest to perform a second acidosis period in future studies, and observe the impact on the microbial community during and after recurrent acidotic challenges. This model may be used to test feed additives and acidosis prevention strategies and can contribute to further primary research whilst reducing reliance on live animal research models.

Die subklinische Pansenazidose ist eine der häufigsten Erkrankungen von Hochleistungsrindern. Der hohe Energiebedarf während der Endmast oder zu Beginn der Laktation wird mit einer gesteigerten Kraftfuttergabe gedeckt. Kraftfutter ist reich an schnell fermentierbaren Kohlenhydraten, die im Vormagen mikrobiell zu kurzkettigen Fettsäuren abgebaut werden. Die Fettsäuren reichern sich im Pansen an, was zu einem Absinken des ruminalen pH-Wertes führt. Von einer subakuten Pansenazidose spricht man, wenn die Fettsäureproduktion die ruminale Puffer- und Aufnahmekapazität überschreitet und der pH-Wert unter physiologische Werte absinkt. Niedrige pH-Werte beeinflussen die Zusammensetzung der mikrobiellen Gemeinschaft, was zu Veränderungen des ruminalen Fettsäuremusters sowie der Futterverdaulichkeit führt. Klinisch fallen die erkrankten Tiere mit unspezifischen Symptomen, wie reduzierter Futteraufnahme und Diarrhoe auf. Da die subakute Pansenazidose ein weitverbreitetes Problem darstellt und neben wirtschaftlichen Konsequenzen auch das Allgemeinbefinden des Tieres erheblich einschränkt, stellt die subakute Pansenazidose seit Jahrzehnten ein wichtiges Thema der Forschung dar. Das Ziel dieser Arbeit war es, ein Modell für eine subakute Pansenazidose unter kontrollierten Laborbedingungen zu etablieren. In dieser Studie wurde der Einfluss einer subakuten Pansenazidose auf die Fermentationsprodukte und die bakterielle Gemeinschaft im Rusitec–System analysiert. Außerdem wurde die Regenerationsfähigkeit der bakteriellen Flora und ihrer Fermentationsprodukte in einer anschließenden Erholungsphase untersucht. Die Experimente bestand jeweils aus einer Äquilibrierungsphase, einer ersten Kontrollphase, einer Azidosephase und einer weiteren Kontrollphase als abschließender Erholungsphase. Die Azidosebedingungen sollten zum einen durch die Reduktion von puffernden Bestandteilen des künstlichen Speichels hervorgerufen werden, zum anderen durch Variationen in der Kraftfuttergabe. Hierfür wurden zwei Azidosepuffer wurden mit jeweils drei Fütterungsgruppen kombiniert, die sich im Verhältnis von Heu zu Kraftfutter unterschieden. Die Verwendung der Azidosepuffer führte in allen Gruppen zu einer Reduktion des pH-Wertes und zur Induktion einer stabilen Azidosephase. Eine plötzliche Steigerung der Kraftfutterration hatte keine Auswirkung auf den pH-Wert. Während der Azidosephase waren die Gesamtproduktion kurzkettiger Fettsäuren und die Produktion von Acetat reduziert. Dies spiegelte sich in einer verminderten mikrobiellen Diversität und einer Reduktion von vornehmlich fibrolytischen Bakterien wieder. Zudem begünstigten niedrige pH-Werte die Vermehrung von laktatbildenden und ‑verbrauchenden Bakterien, was einen leichten Anstieg der Laktatkonzentration zur Folge hatte. Die Futtervariationen führten zu Veränderungen der NH3-N Konzentration und der Acetatproduktion. Mit Beginn der Erholungsphase stieg der pH-Wert umgehend an und die Mehrheit der gemessenen biochemischen und mikrobiellen Parameter glichen am Versuchsende denen der ersten Kontrollphase. Wir konnten zeigen, dass sowohl die bakterielle Gemeinschaft als auch ihre Fermentationsprodukte sich in vitro von einer subakuten Pansenazidose erholen können. Somit liefert diese Arbeit ein stabiles Modell für eine subakute Pansenazidose. Da in vivo die subakute Pansenazidose in der Regel wiederholt auftritt, sind zukünftig weiterführende Studien mit einer zweiten Azidosephase und anschließender Erholungszeit wünschenswert. Dieses Modell bietet die Möglichkeiten in präklinischen Studien Futteradditiva zur Azidoseprävention zu testen und kann somit zur Reduktion von Tierversuchen beitragen.

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Orton, Theresa: The effects of a subacute rumen acidosis and the subsequent recovery process on fermentation patterns and the microbial community using the Rumen Simulation Technique. Hannover 2019. Tierärztliche Hochschule Hannover.

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