Fermentation and synthesis of the ruminal microbial community in vitro with variation of forage and nitrogen sources

Im ersten Teil dieser Doktorarbeit wurden fünf Chargen Maissilage (MS), fünf Chargen Grassilage (GS) und drei Chargen Luzernesilage im Hohenheimer Futterwerttest inkubiert, um die Variation der Silagen anhand ihrer in vitro-Gasbildungkinetik sowie ihrer Ammoniak-Stickstoff-Konzentration (NH3-N-Konzentration) im Pansensaft-Puffer-Gemisch im Zeitverlauf zu bestimmen. Hierfür wurden pro Durchgang 10 Kolbenprober pro Silagecharge eingesetzt. Für 3 Kolbenprober wurde das Gasvolumen über 72 Stunden ermittelt. Die übrigen 7 Kolbenprober wurden nacheinander zu 7 Zeitpunkten aus dem Brutschrank entnommen und es wurde die Konzentration an NH3-N im Pansensaft-Puffer-Gemisch bestimmt. Bei der Inkubation der 13 Silagen hatte sowohl die Silageart als auch die Charge einen Einfluss auf die potenzielle Gasbildung und auf die Gasbildungsrate. Die ermittelte potenzielle Gasbildung lag zwischen 62,574,2, 56,064,9 und 39,959,6 mL/200 mg organische Masse (OM) für die MS, GS und Luzernesilagen. Die Gasbildungsrate betrug 5,57,3, 3,87,1 und 5,07,7 %/h für die MS, GS und Luzernesilagen. Auf die NH3-N-Konzentration im Pansensaft-Puffer-Gemisch hatte sowohl die Silageart als auch die Charge und der Zeitpunkt sowie deren Wechselwirkungen einen Einfluss. Im zweiten Teil dieser Arbeit wurde eine MS und eine GS in dem Pansen-Simulationssystem Rusitec inkubiert, um den Einfluss der Grobfutterquelle ohne eine Konzentrat-Ergänzung sowohl auf die NH3-N-Konzentration in der Fermenterflüssigkeit im Zeitverlauf als auch auf die Fermentations- und Syntheseleistung der mikrobiellen Gemeinschaft des Pansens in vitro zu untersuchen. Es wurden der Abbau der Nährstoffe, die Gas- und Methanproduktion, die Menge an kurzkettigen Fettsäuren (SCFA) und an NH3-N im Effluenten und die mikrobielle Proteinsynthese (MPS) ermittelt. Die Konzentration an NH3-N in der Fermenterflüssigkeit im Zeitverlauf wurde zu verschiedenen Zeitpunkten innerhalb von zwei Perioden bestimmt. Bei Inkubation von GS war der Abbau der OM und der Faserfraktionen, die Menge an NH3-N im Effluenten, sowie die MPS und deren Effizienz (EMPS) höher als bei Inkubation von MS. Der Abbau des Rohproteins (XP) und die Gesamtmenge an SCFA waren durch die Silage nicht beeinflusst. Die N-Effizienz war bei Inkubation von MS höher als bei Inkubation von GS. Während Periode 1 stieg die Konzentration an NH3-N in der Fermenterflüssigkeit bei allen Behandlungen innerhalb der ersten 24 Stunden an und unterschied sich nicht zwischen den Behandlungen. Für GS stieg die NH3-N-Konzentration danach bis zu einem Maximalwert zum letzten Messzeitpunkt in Periode 1 weiter an. In Periode 2 blieben die NH3-N-Konzentrationen in der Fermenterflüssigkeit für MS und GS auf einem relativ gleichbleibenden Niveau, die sich an allen fünf Messzeitpunkten zwischen beiden Silagen unterschieden. Die in Periode 2 in der Fermenterflüssigkeit gemessene mittlere Konzentration an NH3-N entsprach im Niveau der NH3-N-Konzentration, die im Effluenten der beiden Silagen ermittelt wurde. Im dritten Teil dieser Arbeit wurde der Einfluss unterschiedlicher N-Ergänzungen zu MS im Vergleich zu GS auf die Fermentations- und Syntheseleistung der mikrobiellen Gemeinschaft des Pansens in vitro untersucht. Hierfür wurden GS und MS im Rusitec inkubiert, letztere entweder unsupplementiert oder supplementiert mit Harnstoff, Erbsenprotein, Erbsenpepton oder einer Aminosäuren-Mischung, um den N-Gehalt an den der GS anzupassen. Die Konzentration an NH3-N in der Fermenterflüssigkeit wurde 0, 2, 4, 12 und 24 Stunden nach dem Wechsel des Futterbeutels an Tag 12 bestimmt. Die Ergebnisse bezüglich des Abbaus der OM, des XP und der N-freien Extraktstoffe zeigten einen positiven Einfluss der N-Ergänzungen mit Ausnahme für MS+Erbsenprotein. Zusätzlich wurde der Abbau der Detergenzien-Fasern durch die N-Ergänzungen teilweise verbessert. Die MPS und die EMPS wurden durch alle N-Ergänzungen verbessert. Dabei resultierten die Harnstoff- und Erbsenpepton-Supplementierungen zu MS in der größten Steigerung der EMPS. Jedoch konnte durch keine N-Ergänzung das Niveau der GS in der EMPS erreicht werden. Der ermittelte Verlauf der NH3-N-Konzentration in der Fermenterflüssigkeit war weitestgehend ähnlich zwischen den Behandlungen. Die Variation in der Nährstoffzusammensetzung von MS, GS und Luzernesilagen spiegelte sich in einer großen Variation sowohl in der Gasbildungskinetik als auch im Kurvenverlauf der NH3-N-Konzentration im Pansensaft-Puffer-Gemisch wider. Bei der alleinigen Inkubation von MS und GS im Rusitec wurde durch GS die MPS und EMPS stärker gefördert als durch MS. Die Supplementierung von MS mit unterschiedlichen N-Quellen resultierte in einem Anstieg der MPS und der EMPS verglichen mit MS ohne N-Ergänzung und bestätigt damit die Annahme einer unzureichenden N-Versorgung der Pansenmikroben bei der alleinigen Inkubation von MS in vitro. Allerdings konnte durch keine der N-Ergänzungen das Niveau der GS in der EMPS erreicht werden.In the first part of this doctoral thesis five batches of maize silage (MS), five batches of grass silage (GS) and three batches of alfalfa silage were incubated in the Hohenheim gas test. The variation of silages based on in vitro gas production kinetics and ammonia-nitrogen-concentration (NH3-N-concentration) in the mixture of rumen liquid and buffer solution over time was determined. For this purpose, 10 glass syringes per silage batch were used per experimental run. 3 glass syringes were used to determine the gas volume over 72 hours. The remaining 7 glass syringes were removed from the incubator at 7 time points and the NH3-N-concentration in the mixture of rumen liquid and buffer solution was determined. Upon the incubation of the 13 silages both silage species and batch had an influence on the potential gas production and on the rate constant of gas production. The determined potential gas production was between 62.574.2, 56.064.9 and 39.959.6 mL/200 mg organic matter (OM) for MS, GS and alfalfa silages. The rate constant of gas production amounted to 5.57.3, 3.87.1 and 5.07.7 %/h for MS, GS and alfalfa silages. Both silage species and batch as well as the time point and their interactions had an influence on the NH3-N-concentration in the mixture of rumen liquid and buffer solution. In the second part of this work one MS and one GS were incubated in the rumen simulation Rusitec. The influence of the forage source without supplementation of concentrates on the NH3-N-concentration in fermenter liquids over time and the fermentation and synthesis characteristics of the ruminal microbial community were investigated in vitro. Degradation of nutrients, gas, methane and short chain fatty acid (SCFA) production as well as NH3-N in effluent and microbial protein synthesis (MPS) were measured. The NH3-N-concentration in fermenter liquids was determined at different time points within two periods. Upon the incubation of GS, degradation of OM and fibre fractions, amount of NH3-N in the effluent as well as MPS and its efficiency (EMPS) was higher than with incubation of MS. Degradation of crude protein (CP) and total amount of SCFA were unaffected by silage. N-efficiency was higher with incubation of MS than with incubation of GS. During period 1, NH3-N-concentration in fermenter liquids increased for all treatments within the first 24 hours and was not different between the treatments. For GS, NH3-N-concentration subsequently continued to rise up to a maximum value at the last time point of measurement in period 1. NH3-N-concentrations in fermenter liquids in period 2 remained on a relatively constant level for MS and GS, differing between the two silages at all five time points of measurement. Mean NH3-N-concentration in fermenter liquids measured in period 2 corresponded in level with NH3-N-concentration determined in the effluent of both silages. In the third part of this work, the influence of different N-supplements to MS compared to GS on fermentation and synthesis characteristics of the ruminal microbial community in vitro was investigated. GS and MS were incubated in a Rusitec, the latter being either unsupplemented or supplemented with urea, pea protein, pea peptone or a mixture of amino acids to adjust N-content of MS to that of GS. The NH3-N-concentration in fermenter liquids was determined 0, 2, 4, 12 and 24 hours after changing the feed bag on day 12. Results concerning degradation of OM, CP and N-free extracts showed a positive influence of N-supplementations except for MS+pea protein. Furthermore, degradation of detergent fibres were partially improved through N-supplementations. The values of MPS and EMPS were enhanced through all N-supplementations. Thereby supplementation of urea and pea peptone to MS resulted in the largest increase in EMPS. However, through none of the N-supplements the level of GS in EMPS could be achieved. The determined course of NH3-N-concentration in fermenter liquids was largely similar between the treatments. Variation in nutrient composition of MS, GS and alfalfa silages were reflected in a large variation both in gas production kinetics and curve shape of NH3-N-concentration in the mixture of rumen liquid and buffer solution. Upon the sole incubation of MS and GS in the Rusitec, GS promoted MPS and EMPS stronger than MS. Supplementation of MS with different N-sources resulted in an increase in MPS and EMPS compared to MS without N-supplementation. Thus the assumption of an insufficient N-supply of ruminal microbes during the sole incubation of MS in vitro was confirmed. However, through none of the N-supplementations level of GS in EMPS could be achieved