Untersuchung der Veränderungen von ruminalen Stoffwechselprozessen und mikrobieller Gemeinschaft in vitro während und nach wiederholter Belastung durch subakute Pansenazidose
Die subakute Pansenazidose (SARA) ist nach wie vor eine häufige auftretende Adaptationsstörung von hochleistenden Milchkühen oder Mastrindern. Sie tritt infolge der produktivitätsbedingten hohen Kraftfuttergaben auf. Die im Kraftfutter enthaltenen leichtverdaulichen Kohlenhydrate werden innerhalb kurzer Zeit von ruminalen Mikroorganismen zu kurzkettigen Fettsäuren abgebaut. Aufgrund der noch nicht stattgefundenen Adaptation der Neutralisationsmechanismen kommt es zur Akkumulation der Fettsäuren im Pansen und hierdurch zu einer Reduktion des ruminalen pH-Wertes. Fällt dieser unterhalb physiologische Grenzen, hat dies Auswirkungen auf das ruminale Mikrobiom, wodurch sich Veränderungen des Fermentationsmusters ergeben. Häufig treten die azidotischen Schübe wiederholt über einen längeren Zeitraum auf, wodurch sich langfristige Veränderungen etablieren. Betroffene Tiere zeigen unspezifische Symptome wie reduzierte Futteraufnahme, schlechte Kotqualität, nachlassende Milchleistung und Sekundärerkrankungen wie Ruminitiden, Lahmheiten und Leberabszesse. Hierdurch ergeben sich nicht nur Einschränkungen des Tierwohls, sondern auch erhebliche wirtschaftliche Einbußen, weshalb die subakute Pansenazidose seit Jahren ein intensiv erforschtes Thema ist. Um ein besseres Verständnis der pathophysiologischen Vorgänge durch wiederholte azidotische Belastungen zu gewinnen, wurde in der vorliegenden Studie ein bereits etabliertes in vitro-Azidosemodell um eine zweite Azidosephase erweitert. Hierfür wurde im Rusitec-Modell nach einer einwöchigen Adaptationszeit über eine Steigerung des Kraftfutteranteils bei gleichzeitiger Reduktion der Puffereigenschaften des zulaufenden Speichelersatzes die erste Azidosephase induziert. Während der nachfolgenden Rekonvaleszenz wurden über erneuten Wechsel von Kraftfutteranteil und Puffereigenschaften die ursprünglichen Bedingungen wiederhergestellt, um abschließend eine zweite Azidose einzuleiten. Veränderungen des Fermentationsprofils und ausgewählter mikrobieller Taxa wurden während beider Azidosephasen und der dazwischenliegenden Rekonvaleszenz erhoben und hinsichtlich der Unterschiede zwischen der ersten und zweiten Azidosephase untersucht. In beiden Azidosephasen führten die Umstellungen zu einer identischen Reduktion des pH-Wertes mit einer stabilen Phase unterhalb des Grenzwertes von 5,8, sodass in beiden Phasen erfolgreich eine SARA induziert wurde. Die Veränderungen von Redoxpotenzial und Laktatkonzentration zeigten indessen eine Abschwächung während der zweiten Azidosephase. In Übereinstimmung mit der Laktatkonzentration konnte bei Wiederholung der Azidose kein Anstieg der Kopienzahl laktatbildender Bakterien mehr beobachtet werden. Bezüglich der Gesamtproduktion kurzkettiger Fettsäuren und der Produktionsrate und molaren Anteile der Hauptfettsäure Acetat wurden in beiden Azidosephasen gleiche Veränderungen beobachtet, was sich wiederum in einer unveränderten Abnahme der acetatbildenden Ruminococcaceae und flüssigkeitsassoziierten Fibrobacter widerspiegelt. Die Kopienzahl der Fibrobacter in der partikelassoziierten Bakterienfraktion wies im Gegensatz dazu in der Wiederholung kein Absinken mehr auf. Die Produktionsraten und molaren Anteile von Propionat und Butyrat zeigten während der zweiten Azidosephase schwächere Veränderungen. Die flüssigkeitsassoziierten Bakterien der heterogenen Gruppe Bacteroides-Prevotellaceae zeigten als einzige stärkere Veränderungen über die Versuchsdauer. Korrelationen der mikrobiellen Parameter mit den Ergebnissen der biochemischen Analysen wiesen zudem auf Veränderungen im Proteinstoffwechsel während der zweiten Azidosephase hin. Wir konnten das bereits für Rusitec-Versuche bestehende Azidosemodell erfolgreich um eine zweite Azidosephase erweitern und dabei zeigen, dass es in vitro zur Adaptation bestimmter mikrobieller Taxa und zu einer Abschwächung der azidosebedingten Fermentationsveränderungen kommt. Es wurde außerdem deutlich, dass bestimmte Stoffwechselwege durch aufeinander folgende Azidosen in ihrer Funktionalität nachhaltig verändert werden, weshalb für zukünftige Untersuchungen eine detailliertere Betrachtung wünschenswert wäre. Zum weiteren Verständnis von langfristigen Veränderungen wären außerdem Versuche mit mehr als zwei Wiederholungen der Azidose sowie anschließender Rekonvaleszenz erstrebenswert.
Subacute rumen acidosis (SARA) is a common adaptation disorder in high-yielding dairy cows or beef cattle. It occurs as a result of feeding high concentrate diets to increase productivity. The easily digestable carbohydrates contained in the concentrate are metabolized to short chain fatty acids by ruminal microorganisms within a short period of time. As the neutralization mechanisms have not yet adapted, the fatty acids accumulate in the rumen and this leads to a reduction in ruminal pH. If the pH decreases below physiological limits it affects the ruminal microbiome, resulting in changes of the fermentation pattern. Acidotic episodes often occur repeatedly over a period of time, resulting in long-term changes. Affected animals present non-specific symptoms such as reduced feed intake, poor fecal quality, declining milk yield and secondary diseases such as ruminitis, lameness and liver abscesses. This not only results in reduced animal welfare but also causes considerable economic losses. Therefore subacute rumen acidosis has been a subject of intensive research for years. In order to gain a better understanding of the pathophysiological alterations caused by repeated acidotic stress, in the present study, we extended an already established in vitro acidosis model by a second acidotic phase. Changes in the fermentation profile were examined in parallel to selected microbial taxa during the two acidotic phases and the intermediate recovery phase and compared between the first and second acidotic phase. For this purpose, after one week of adaptation, the first acidotic phase was induced in the Rusitec model by increasing the proportion of concentrate and concurrently reducing the buffering properties of the substituted artificial saliva (buffer). During the recovery phase original conditions were re-established by changing the proportion of concentrate and buffer properties again and finally a second acidosis was induced. In both acidotic phases the changes resulted in an identical reduction in the pH-value with a stable phase below a pH of 5.8, so that in both phases a SARA was successfully induced. However, the changes in redox potential and lactate concentration indicated an attenuation during the second acidosis phase. In accordance with the lactate concentration, no further increase in lactate-forming bacteria was observed when the acidosis was repeated. With regard to the total production of short-chain fatty acids and the production rate and molar proportions of the main fatty acid acetate, the same changes were observed in both acidosis phases. This was, in turn, reflected by a consistent decrease in acetate-forming Ruminococcaceae and liquid associated Fibrobacter. In contrast, the copy number of Fibrobacter in the solid associated bacterial fraction no longer decreased in the second acidosis. Production rates and molar proportion of propionate and butyrate revealed less changes during the second acidosis phase. The liquid associated bacteria of the heterogeneous group Bacteroides-Prevotellaceae were the only ones indicating stronger changes over the duration of the experiment. Correlations between the microbial parameters and the results of the biochemical analyses also alluded changes in protein metabolism during the second acidotic phase. We were able to successfully extend the existing acidosis model for Rusitec experiments to include a second acidosis phase. We also revealed that certain microbial taxa adapt in vitro and that acidosis-induced fermentation changes are attenuated. Moreover it became apparent that the functionality of certain metabolic pathways is permanently altered by recurrent acidosis, which is why a more detailed analysis would be desirable for future studies. For further understanding of long-term changes, conduction of SARA experiments with more than two repetitions of acidosis and recovery would also be desirable.
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