Rumen precision feeding: nuove opportunità ?

Gestione della bovina in transizione: sviluppi tecnologici, alimentari e nutraceutici - Piacenza 30 1 2015

Paolo Bani

Faculty of Agriculture, Food and Environmental

Sciences

Institute of Zootechnics

paolo.bani@unicatt.it

Rumine = meccanismo semplice ?

Rumine:

fermentatore (molto) complesso

animale

microbiota

alimenti

Ritmo di ingestione

Masticazione

Abbeverata

am

ino

acid

i

VFA

?????

?????

Livello di ingestione

NH

3

Foraggio / fibra Cereali / amido Zuccheri

Ac. acetico Ac. propionico Ac. butirrico

I concetti «classici»

sono sempre validi ?

Fermentazione dei glucidi nel rumine

70

60

50

40

30

20

10

7 6 5 5,5 pH

AGV

(mol %)

ac. acetico

ac. butirrico

ac. propionico

ac. lattico

Vacca

da latte

Acidosi Rischio

di chetosi

Bovini

in crescita

Perdite CH4 4 % EB 10 % EB

ALIMENTI GROSSOLANI

ALIMENTI CONCENTRATI

20 % di FG

sulla s.s.

C2/C3 # 2 > 3 < 1 # 1

fermentazione

lattica

Foraggio macinato e pellettato può generare fermentazioni di «tipo amido» …. velocità di fermentazione ed effetti dietetici (saliva) sono fondamentali

Cereali, a basse dosi, promuovono fermentazioni «tipo foraggio»

(0.25% PV come amido)

Le prime fasi di utilizzo del glucosio producono H2 (NADH + H+) Perchè le fermentazioni continuino deve essere smaltito in qualche modo

Due aree fermentative differenti, complementari e in equilibrio dinamico. Un po’ grossolanamente :

I. Produce acetato e produce H2

II. Produce butirrato e propionato e consuma H2

Ruolo chiave di H2 NAD+ / NADH+H+ (velocità di formazione)

2 NADH

H2 + NAD+ ↔ H+ + NADH

CH4

Acetato

Butirrato

Propionato

Rumine:

sopporta anche alti regimi

può andare «fuori giri»

no eccessi

possibili rimedi (additivi o piccole modifiche alimentari)

ADDITIVO

Sostanza / ingrediente che non ha un ruolo nutrizionale (rilevante) in grado di indurre una risposta utile nell’animale: • modifica del pH • crescita / produzione latte • modificazione metabolica

ADDITIVO

possibile interazione con / effetto su

• microbiota ruminale

• alimenti

• animale

Modulazione “diretta” delle fermentazioni ruminali

Inibitori

chimici

Acidi

organici

Lieviti

Colture

batteriche

Ionofori

Nitrati

Fitoderivati

Vaccinazione

Azione sul microbiota

Orientare le fermentazioni per: più efficienza (più propionico / meno

metano) evitare acidosi (meno lattico) migliorare efficienza azotata (meno

ammoniaca) meno sostanze indesiderate (amine,

LPS,… ?)

Un’immensa varietà di estratti o molecole pure

Metaboliti secondari microbici / vegetali

• Prodotti delle fermentazioni di batteri aventi come

habitat naturale il terreno

• oltre 100 ionofori polieteri noti (tra cui il monensin)

• Composizione chimica con core comune ma anche

piccole differenze molecolari inducono attività biologica

diversa

Ionofori

Ionofori

Come cambia la popolazione

batterica ruminale

da Dawson and Boling. 1983. Appl Environ Microb 46:160., modificato

Prima Dopo

Gram- hanno una membrana più complessa e

«impermeabile» agli ionofori

Non tutti I batteri sono sensibili1,2

1Adapted from Dawson and Boling. 1983. Appl Environ Microbio 46:160. 2Adapted from Nagaraja, T. G., C. J. Newbold, C. J. Van Nevel & D. I. Meyer. 1997. Manipulation of Rumen. Fermentation. The Rumen

Microbial Ecosystem, 2nd edition. Ed: Hobson & Stewart. pp. 538-547.

Gram positivi

Specie batterica

sensibile

Principali prodotti

della fermentazione

Specie

batterica non

sensibile

Principali prodotti

della fermentazione

Ruminococcus acetato Selenomonas propionato

Methanobacteriu

m

acetato, metano Bacteroides acetato, propionato

Lactobacillus lattato Megasphera propionato, acetato

Butyrivibrio acetato, butirrato Veillonella propionato

Lachnospira acetato Succinimonas succinato

Streptococcus lactate Succinivibro succinato

Methanosarcina metano

Fibrobacter acetato

Gram negativi

Principali effetti

Calo acetico

Aumento propionico

Cala C2 /C3

Calo butirrico

(cala metano)

Meno precursori dei

corpi chetonici

Più precursori per la

gluconeogenesi

Ionofori

Principali effetti digestivi

Ingestione di alimenti +/-

Aumento del tempo di ritenzione ruminale

Digeribilità fibra + / -

Risultati migliori con forme a rilascio

progressivo rispetto alla miscelazione con la

razione

Ionofori

Ruminal pH characteristics and fecal pH during grain induced

subacute ruminal acidosis (SARA) in lactating Holstein dairy

cows as affected by supplementation with a monensin premix.

Nessun effetto statisticamente significativo

(6 vacche fistolate in media lattazione)

Farmaco (non additivo alimentare) per il controllo della chetosi post parto

(problema metabolico) agendo sui processi digestivi a livello ruminale

Non ammessi dalla nostra normativa come promotori di crescita

Ionofori

Oli essenziali

- Metaboliti secondari di diverse piante

- Non veri oli ma composti aromatici volatili ottenuti per

distillazione in corrente di vapore

- Grande variabilità di caratteristiche chimiche e di modo

di azione

- Potenziale antimetanigeno interessante

- Alcuni di essi già in uso per polli e suini

Oli essenziali

- molti OE inibiscono +/- selettivamente i batteri Gram

positivi (azione analoga agli ionofori )

- alcuni hanno un potenziale antimicrobico troppo forte

e/o poco specifico: timolo (Origanum spp.) ed eugenolo (Eugenia

caryophyllus – chiodi di garofano)

- estratti abbastanza variabili per titolo dei principi attivi

- alle dosi efficaci possono ridurre digeribilità e/o

ingestione

Oli essenziali

• calo del rapporto acetato / propionato

• calano perdite di metano

• rischio di calo della digeribilità

• effetto influenzato da

• tipo di dieta

• tipo di OE

• dose OE

Oli essenziali

Gli effetti possono variare molto in funzione del pH e della dieta

Oli essenziali

Necessario definire:

- Dose ottimale in vivo dei componenti attivi da definire

- potenziale adattamento della popolazione microbica

- Possibile presenza di residui in latte e/o carne

- Molte prove in vitro, pochissime in vivo

- Forme slow release potenzialmente interessanti ?

Oli essenziali

Miglioramento della ritenzione azotata

• gruppo eterogeneo di composti fenolici ad alto

peso molecolare accomunati dalla proprietà di

complessare le proteine (ma anche polisaccaridi

e minerali)

• due gruppi: idrolizzabili e condensati.

Tannini

Tannini

Nell’alimentazione dei ruminanti

• effetti positivi o negativi (tipologia di tannino, quantità

consumata, dieta )

• > 50 g /kg SS diminuzione del consumo volontario

• < 50g/kg ss non sembrano influenzare l'ingestione di

alimenti

• indicazioni riferite però a specie di Lotus e potrebbero

non essere applicabili a tannini estratti da altre essenze

Tre meccanismi ipotizzati per spiegare calo di ingestione:

• minore appetibilità dell'alimento

• rallentamento dei fenomeni digestivi

• sviluppo di una avversione condizionata agli alimenti

che li contengono

Tannini

• effetto più caratteristico a carico delle proteine

• complessi tannino-proteina stabili a pH

ruminale

• calo della degradazione proteica per complesso

con proteine o azione sul microbiota ruminale

Tannini

Minifermentatori: soia f.e. trattata con diversi tannini. Ogni campione incubato

separatamente (ambiente chiuso)

Tannini

Macrofermentatore (Daisy): soia f.e. trattata con diversi tannini

ma tutti incubati nello steso ambiente (ambiente aperto)

In minifermentatori tutti i tannini hanno ridotto degradazione delle proteine in modo dose-dipendente (anche a piccoli dosaggi)

Tannini

(Bani et al., dati non pubblicati)

Nel macrofermentatore solamente un tipo di tannini ha ridotto la degradazione delle proteine

(Bani et al., dati non pubblicati)

Tannini

Tannini estratti da castagno con tecnologie diverse

Effetto analogo su proteine, ma molto diverso su digeribilita’ fibra

(Bani et al., dati non pubblicati)

Digeribilità intestinale

• effetti sulla digeribilità intestinale delle proteine non sempre ben definiti

• I complessi tannini-proteine possono dissociarsi ai bassi pH dell'abomaso (<3.5)

• nel duodeno iniziale i livelli di acidità (pH ~ 5.5) consentono il riformarsi di tali complessi, meno digeribili

• possibile formazione di complessi tra tannini e enzimi digestivi animali

Tannini

Vaccinazione

Possibili nuove strategie di modulazione ruminale ?

…. vaccinated sheep maintained signicantly higher feed

intake, and had higher rumen pH, lower L-lactate

concentrations, and less severe diarrhoea scores than non

vaccinated control sheep. ………………………

S. bovis-specic antibody concentrations were signicantly higher in samples of saliva, rumen

fuid and serum from sheep immunized with live vaccine than with killed vaccines. These

results demonstrate that lactic acidosis can be reduced by immunization against S. bovis, and

that live Sb-5 vaccine is effective in invoking mucosal as well as systemic antibody responses.

Esperienze per la riduzione delle emissioni di metano

Immunizzazione anti Archea

Vaccinazione

• contro metanigeni (principali specie)

• risultati incerti:

• - 8% in pecore australiane

• No effetto in altre regioni o con altri preparati

Immunizzazione passiva

• Anticorpi estratti da uova di animali vaccinati contro più

comuni metanigeni

• Effetto evidente (in vitro) ma di breve durata (poche ore)

PER ORA

• Rumine è punto di arrivo di sostanze indesiderate / tossiche

• biogeniche

• non biogeniche

Possibile sito di inattivazione / sequestro

Additivi ruminali:

anche per difesa da ..

• Utilizzo di boli a lento rilascio per limitare l’assorbimento di radiocesio post - Chernobyl

Non solo effetto «pro» ma anche «antagonista»

Notevole interesse per rilascio progressivo a livello ruminale di sostanze con funzioni molto differenti

Conclusioni

Alcuni punti fermi (che rimangono tali)

corretta formulazione della razione

corretta forma di preparazione / somministrazione (razione alla bocca dell’animale è quella nel computer del nutrizionista ?)

effettiva continua disponibilità di alimento (residui, sovraffollamento)

Conclusioni

Possibilità di modulare fermentazioni con soluzioni più o meno nuove

Ionofori

Fitoderivati

Preparati enzimatici

Probiotici

Vaccinazione

…….

Conclusioni

• Fitoderivati offrono grande potenziale per la modulazione «green» dei processi digestivi, ma:

• Variabilità di risposte (maggiore scientificità)

• Necessario individuare principi attivi

• Verificare compatibilità con salute animale e umana (residui nei prodotti animali ?)

• «prodotto naturale» non è necessariamente sinonimo di innocuo

Conclusioni

Forma di somministrazione degli additivi

modifica tempi di rilascio e può condizionare

effetto finale, ma mancano informazioni per

molti prodotti

Boli ruminali (vari tipi)

Complessi con grassi, gomme, ecc.

Conclusioni

… ricordando i 4 Requisiti a cui ogni additivo deve assolvere

⁻ Risposta anticipata

⁻ Ritorno economico

⁻ Ricerche disponibili

⁻ Risposte di campo