Der Einfluss der Fütterung zusätzlicher Mineralien an Schafe auf die Rückführung von Mikronährstoffen über Urin und Kot auf die Weide

Scientific Reports Band 13, Artikelnummer: 2747 (2023) Diesen Artikel zitieren

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Die Form (organisch versus anorganisch) von Mineralien (Se, Zn, Cu und Mn), die Schafen (Charolais × Suffolk-Mule (Durchschnittsgewicht = 57 ± 2,9 kg)) in zwei europäischen Industriedosen bei der Rückkehr von Mikronährstoffen auf die Weide zugeführt werden über die Nährstoffverteilung und -zusammensetzung im Urin und Kot von Schafen untersucht. Dies ergab insgesamt vier Behandlungen mit 6 Tieren pro Behandlung (n = 24). Die Form der ergänzten Mineralien hatte keinen Einfluss auf die Ausscheidungsverteilung von Mikronährstoffen (Se, Zn, Cu). und Mn) zwischen Urin und Fäzes, noch auf ihre Konzentrationen in den Ausscheidungen. Die beiden getesteten Dosen können jedoch den Se-Fluss in der Umwelt beeinflussen, indem sie die Verhältnisse von Se:P und Se:S in den Fäkalien und Se:S verändern Verhältnis im Urin. Die Verabreichung der Mineralzusätze verbesserte auch die Retention von P bei Schafen und reduzierte dessen Ausscheidung über den Urin. Obwohl die Konzentrationen leicht bioverfügbarer Mikronährstoffe im Kot durch die Mineralformen nicht beeinflusst wurden, gab es Unterschiede in den widerspenstigeren Fraktionen von Se, Zn und Cu (abgeleitet durch eine sequentielle Extraktion) im Kot, wenn verschiedene Formen von Zusatzmineralien angeboten wurden. Die möglichen Auswirkungen dieser Unterschiede auf den Mikronährstofffluss auf der Weide müssen weiter untersucht werden.

In Weidesystemen sind die Ausscheidungen von Wiederkäuern die Hauptquelle für Mikronährstoffeinträge1. Die Zusammensetzung der Nährstoffe in Urin und Kot kann den Mikronährstoffkreislauf auf der Weide nach ihrer Ausbringung auf den Boden erheblich beeinflussen. Die Konzentrationen von Mikronährstoffen in Urin und Kot hängen von deren Konzentrationen im Futter und dem Status der elementaren Mikronährstoffe (Mineralien) ab, die für die Gesundheit des Tieres erforderlich sind2. Es wird berichtet, dass Grünlandbauern im Vereinigten Königreich im Durchschnitt zwischen zwei und drei verschiedene Methoden anwenden, um Nährstoffmängel bei ihren Nutztieren zu beheben, darunter Lecken, Boli, Injektionen, Wasserergänzung, Futterergänzung, Verwendung von (Boden-/Blatt-)Düngern usw durchnässt3. Aufgrund der unterschiedlichen Mikronährstoffkonzentrationen im Futter und des unterschiedlichen Bedarfs in verschiedenen Wachstumsstadien der Tiere ist die genaue Beurteilung des Mangelgrades für eine optimale Ergänzung jedoch schwierig3. Daher werden Mikronährstoffzusätze für Nutztiere häufig prophylaktisch und routinemäßig als Teil der Standardpraxis eingesetzt und nicht strategisch auf der Grundlage des Nährstoffgehalts im Futter und/oder des Ernährungszustands der Tiere. Verschiedene chemische Formen von Mineralien, die an Tiere verfüttert werden, können die Effizienz der Nährstoffaufnahme bei Tieren beeinträchtigen4. Es wird typischerweise angenommen, dass die stärkere Absorption der Nahrungsergänzungsmittel mit einem geringeren Mikronährstoffverlust beim Tier einhergeht. Die aufgenommenen Mikronährstoffe können jedoch weiterhin über endogene Ausscheidungen wie Galle und abgelöste Epithelzellen ausgeschieden werden1. Es ist nicht klar, ob unterschiedliche Formen (organisch oder anorganisch) der ergänzenden Mineralien einen signifikanten Einfluss auf die Ausscheidung und Verteilung von Mikronährstoffen zwischen Urin und Kot sowie auf die anschließende Bioverfügbarkeit von Mikronährstoffen nach der Ausbringung der Exkrete im Boden haben.

Es wurde bereits früher berichtet, dass Zn, Cu und Mn bei Schafen größtenteils über den Kot ausgeschieden werden, der unverdaute Mineralien sowie endogene Ausscheidungen metabolisierter Mineralien wie die Pankreassekretion von Zn und die Gallenausscheidung von Cu und Mn umfasst4,5,6 ,7,8. Allerdings gibt es nur wenige Studien, die den Einfluss verschiedener Formen zusätzlicher Mineralien auf die Verteilung von Zn, Cu und Mn zwischen Urin und Kot berichten. Es wurde kein signifikanter Unterschied in der fäkalen Ausscheidung von Zn zwischen ZnO, Zn-Glycin, Zn-Lysin und Zn-Methionin (bei ca. 80 mg Zn Tag−1) festgestellt, bei den Behandlungen mit ZnO wurde jedoch eine höhere Zn-Ausscheidung im Urin festgestellt und Zn-Glycin gegenüber Zn-Lysin und Zn-Methionin9. Es gibt nur begrenzte Studien, die die Wirkung verschiedener chemischer Formen von zusätzlichem Cu und Mn auf deren Verteilung zwischen den Ausscheidungsformen untersuchen. Eine Studie, die verschiedene Formen von Mn sowie die Ausscheidung und Absorption von Mn bei Lämmern untersuchte, zeigte, dass es keinen signifikanten Unterschied in der fäkalen Ausscheidung von Mn zwischen der Behandlung mit MnSO4 und Mn-Chelat von Glycinhydrat10 gab. Für Se wurde ein signifikanter Wechselwirkungseffekt zwischen der Ernährung (auf Futterbasis im Vergleich zu Konzentratbasis) und der chemischen Form von Se (Se-Hefe im Vergleich zu Na2SeO3) auf die Verteilung von Se im Urin berichtet11. Es wurde jedoch auch kein signifikanter Einfluss von Se-Ergänzungsformen (Na2SeO3, Se-Hefe und Se-Met) auf die Se-Urinverteilung berichtet12. Es wurde berichtet, dass die Zufuhr von Selen über die Nahrung hinaus die Selenverteilung im Urin erhöht12,13,14. Daher können unterschiedliche Dosierungen der Mineralstoffergänzung, die in verschiedenen Studien angewendet wurden, gegensätzliche Ergebnisse erklären. In der aktuellen Studie wurden die beiden von der europäischen Futtermittelindustrie verwendeten Ergänzungsdosisstufen übernommen, um eine wahrscheinliche Menge, die in landwirtschaftlichen Betrieben verwendet wird, besser widerzuspiegeln.

Das Nährstoffgleichgewicht (zwischen Makro- und Mikronährstoffen) in Urin und Fäkalien ist auch entscheidend für die Mikronährstoffaufnahme durch Pflanzen, nachdem Urin und Fäkalien auf den Boden aufgetragen wurden15. Die Aufnahme von SeO42− und SeO32− durch Deutsches Weidelgras (Lolium perenne L.) unterliegt aufgrund ihrer ähnlichen Elektronenkonfiguration der äußersten Elektronenschalen einer Konkurrenz mit SO42− bzw. PO43−16. Ob die Verabreichung verschiedener Formen zusätzlicher Mineralien einen Einfluss auf das Gleichgewicht zwischen Se, S und P haben würde, bedarf weiterer Untersuchungen.

Zu den möglichen Wegen, über die sich die verschiedenen Formen von Zusatzmineralien auf die Mikronährstoffablagerung auf der Weide über Ausscheidungen und letztendlich auf die potenzielle Aufnahme durch Pflanzen auswirken können, gehören Veränderungen: (1) Mikronährstoffverteilung zwischen Urin und Kot; (2) Konzentrationen oder chemische Form von Mikronährstoffen in Urin und Kot; und (3) Nährstoffgleichgewicht (Mikro- und Makro) in Urin und Kot. Um diese drei potenziellen Wirkungspfade zu untersuchen, wurden 24 Schafen nach einer zweiwöchigen Akklimatisierungsphase zwei Wochen lang entweder organische oder anorganische Formen von Mineralstoffzusätzen (Se, Zn, Cu, Mn) in zwei unterschiedlichen Dosierungen verabreicht, die von der europäischen Futtermittelindustrie übernommen wurden. Anschließend wurden die Gesamtmenge und die Konzentrationen der über Urin und Kot ausgeschiedenen Nährstoffe bestimmt. Die chemischen Formen von Se, Zn, Cu und Mn im Kot wurden durch sequentielle Extraktion untersucht.

Konzentrierte Tierfutterpellets (Konzentrate), die entweder vorgemischte anorganische Mineralien: Selenit, Zinkoxid, Kupfersulfat-Pentahydrat und Manganoxid oder organische Mineralien: selenisierte Hefe (Selplex®, Alltech Inc., KY, USA) und Cu, Zn, Mn enthalten Chelate von Proteinhydrolysat (Bioplex®, Alltech Inc., KY, USA) wurden kastrierten einjährigen männlichen Charolais × Suffolk-Mule-Schafen verabreicht. Die vorgemischten Mineralien wurden vor der Pelletierung von einem Futtermittelunternehmen (HJ Lea Oakes, UK) in zwei Einschlussdosen der europäischen Futtermittelindustrie in das Konzentrat eingemischt. Tabelle 1 zeigt die vom Futtermittelunternehmen gemeldeten Energie- und Nährstoffgehalte des Kraftfutters. Insgesamt gab es vier Behandlungen: organische Mineralien mit einem höheren (OH) oder niedrigeren (OL) Einschluss und anorganische Mineralien mit einem höheren (IH) oder niedrigeren (IL) Einschluss. Die Dosierungen der OH- und IH-Behandlungen wurden typischerweise von der europäischen Industrie auf der Grundlage der Vorschriften des National Research Council der USA17 verwendet. Die Dosierungen der OL- und IL-Behandlungen wurden von Alltech verwendet, um der Verabreichung von Selplex® und Bioplex® zu entsprechen. Bei Cu, Zn und Mn betrugen die niedrigeren Dosen 80 % der hohen Dosen. Die niedrigere Dosis für Se betrug 30 % der Behandlung mit hoher Dosis, da die maximal zulässige Zufuhr von organischem Se gemäß EU-Verordnung 0,2 mg Se pro Kilogramm Futter bei 12 % Feuchtigkeit betrug18.

Den Schafen wurden die angereicherten Konzentrate zwei Wochen lang zusammen mit Grassilage in großen Ballen angeboten, die von einer Dauerweide stammte, auf der mehrjähriges Weidelgras (Lolium perenne) dominiert, und zwar im Verhältnis 40:60 TM-basiertes Konzentrat:Silage. Analysemethoden und Nährwertqualität des Futters werden im Zusatzmaterial (Ergänzungsabbildungen S1 und S2) angegeben. Die Schafe (n = 24) wurden vorab gewogen und der Zustand bewertet (Durchschnittsgewicht = 57 ± 2,9 kg; Body Condition Score (BCS) = 3,3 ± 0,20) und entsprechend dem Körpergewicht in sechs Blöcke eingeteilt, um sicherzustellen, dass der Mittelwert von Das Körpergewicht der Schafe unterschied sich zwischen den Behandlungen nicht signifikant. Die Schafe wurden einzeln eingepfercht und erhielten Silage mit einer der vier verschiedenen Kraftfutterbehandlungen sowie Trinkwasser (Gesamthärtegrad = 15 mg Calcium L−1), das in einzelnen Trögen in den Ställen bereitgestellt wurde. Das Experiment wurde in der Robert Orr Small Ruminant Facility in North Wyke, Rothamsted Research, unter Verwendung eines Biokontrollsystems (BioControl®, As, Norwegen) zur automatischen Fütterung und Datenaufzeichnung durchgeführt.

Die Schafe wurden zwei Wochen vor Beginn der Nahrungsergänzung zur Akklimatisierung in die Anlage gebracht. Ein Kontrollkonzentrat (ohne die zusätzlichen vorgemischten Mineralien) wurde allen Schafen eine Woche lang vor Beginn der Ergänzungsperiode (Tag 0) als Auswasch- und Kontrollbasalperiode angeboten. Während dieser Zeit vor dem Experiment wurde das Kontrollkonzentrat langsam um ca. erhöht. 100 g Tag-1, um das Verhältnis Kraftfutter:Silage 40:60 (TM-Basis) zu erreichen. Die am Tag 0 vor der Morgenfütterung gesammelten Exkremente galten als Basiswert für die Mineralausscheidung aus der Grundnahrung vor Einführung der Nahrungsergänzung. Die Ergänzungsfütterung begann am Tag 0, als das Kontrollkonzentrat durch das Konzentrat mit den gewünschten Zusatzmineralien ersetzt wurde (Tabelle 1). Die Nährstoffgehalte der Silage und des Trinkwassers sind in den Ergänzungstabellen S1 bzw. S2 angegeben. Alle Tiere wurden wöchentlich vor der morgendlichen Fütterung gewogen und gleichzeitig der BCS bestimmt. Die tägliche Gesamtaufnahme (ohne Wasser) von Se, Zn, Cu und Mn aus der Grundnahrung und dem Mineralstoffzusatz ist in Tabelle 2 dargestellt.

Aus den einzelnen Wassertrögen wurde ein Aliquot von 1–2 ml Trinkwasser entnommen und wöchentlich als eine Probe gesammelt; Insgesamt wurden zu jedem Probenahmezeitpunkt drei Wiederholungen durchgeführt. Aus jedem Futterbehälter wurden vor der täglichen Morgenfütterung etwa 100 g Frischgewicht-Silage entnommen und als eine Gesamttagesprobe gebündelt. Die gesamten täglichen Urin- und Stuhlproben wurden getrennt gesammelt und vor der morgendlichen Fütterung einzeln von jedem Schaf gesammelt. Eine 50 ml Urinprobe und ca. Für die weitere chemische Analyse wurden jeweils 200 g Kot aus der täglichen Urin- und Kotprobe jedes Tieres entnommen. Alle gesammelten Proben wurden vor der Probenvorbereitung und -analyse bei –20 ° C gelagert.

Die Trinkwasserproben wurden vor der Gesamtnährstoffanalyse in 5 % (v/v) HNO3 angesäuert. Ein Aliquot von 1 ml Urinproben wurde filtriert und zur Gesamtnährstoffanalyse 20-fach in 0,5 % HNO3 und 1 % Methanol verdünnt. Zur Messung der Trockenmasse und zur Gesamtnährstoffanalyse bzw. sequentiellen Extraktion wurden die Fäkalien bei 105 °C und bei 80 °C ofengetrocknet. Ein vorläufiger Test zeigte, dass es keinen Unterschied in der Gesamtanalyse von Se, Zn, Cu und Mn in Stuhlproben gab, die mit Methoden zwischen Lufttrocknung, Gefriertrocknung und Trocknung bei 80 °C getrocknet wurden (Daten nicht gezeigt). Für die Silagequalität und die Gesamtnährstoffanalyse wurden Silageproben gefriergetrocknet und gemahlen. Nach dem Trocknen wurden Kot- oder Silageproben für die Gesamtnährstoffanalyse fein gemahlen und 0,25 g Probe in 3 ml HNO3 voraufgeschlossen, gefolgt von einem Aufschluss in 3 ml Reinstwasser (18 MΩ) und 2 ml H2O2 bei 175 ° C für 10 Minuten in einem Mikrowellenaufschlusssystem (MARS, CEM Corporation®, USA).

Gesamtnährstoffanalyse durchgeführt mit ICP-OES (Perkin Elmer® Optima 7300 V und Agilent® 5900 SVDV) oder ICP-MS (Perkin Elmer® NexION 300X), abhängig von den Nährstoffkonzentrationen in den Proben. Zur Extraktion von Zn, Cu und Mn (Ergänzungstabelle S3) aus den Stuhlproben wurde ein modifiziertes dreistufiges sequentielles Extraktionsverfahren verwendet, das vom Bureau Community of Reference (BCR)19 vorgeschlagen wurde. Für Se wurde eine andere sequentielle Extraktionsmethode20, die ursprünglich zur Extraktion von Jod (I) aus dem Boden verwendet wurde, überarbeitet und hier übernommen (Ergänzungstabelle S4). Die in Schritt 2 verwendete Konzentration von KH2PO4 wurde für die Extraktion von „austauschbarem Se“21 von 0,15 auf 0,016 M geändert. Die Analyse der Silagequalität umfasste: pH-Wert, flüchtige Fettsäuren (VFAs), Ammoniakstickstoff und Ballaststoffe. Letzteres umfasste die Quantifizierung von modifizierten sauren Detergensfasern (mADF), sauren Detergensfasern (ADF), neutralen Detergensfasern (NDF) und sauren Detergensligninen (ADL), deren Analysemethoden im ergänzenden Material und in den Ergebnissen beschrieben sind Ergänzungstabelle S1. Daten zur Nährwertqualität von Kraftfutter, abgesehen von Mikronährstoffen, wurden vom Futtermittelunternehmen HJ Lea Oakes mittels Näherungsanalyse bereitgestellt (Tabelle 1).

Die tägliche Gesamtaufnahme von Se, Zn, Cu und Mn (Tabelle 2) wurde aus dem Gesamtverbrauch und den Mineralkonzentrationen der Silage und des Konzentrats, ohne Wasser, am 13. Tag geschätzt. Ein ANOVA-Modell (y ~ Block + Mineralform). + Zusatzdosis + Form × Dosis) wurde verwendet, um den Einfluss der Form und des Dosisniveaus und deren Wechselwirkung auf die Reaktionsvariablen, einschließlich Nährstoffkonzentrationen, chemische Formen von Mikronährstoffen im Stuhl und Nährstoffverteilung im Urin und Stuhl, zu testen. Um den Einfluss der Zeit auf die Nährstoffkonzentrationen in Urin und Kot zu testen, wurde ein modifiziertes ANOVA-Modell (y ~ Block + Tag) angewendet. Es wurden QQ-Plots erstellt und Ausreißer entfernt, um sicherzustellen, dass die Residuen der ANOVA-Modelle einer Normalverteilung folgten. Der Post-hoc-Test wurde anhand der geringsten signifikanten Differenz (LSD) mit einem Signifikanzniveau von 95 % (P < 0,05) durchgeführt, das in allen Kontexten als „Signifikanz“ bezeichnet wird. Alle statistischen Analysen wurden in R22 durchgeführt.

Die Tiere stammten von der institutseigenen Farm und wurden täglich auf Gesundheit und Wohlbefinden beurteilt, gemessen anhand von Aufmerksamkeit, Futter- und Wasseraufnahme. Alle Verfahren (von denen keines eine Anästhesie oder Euthanasie erforderte) wurden in Übereinstimmung mit dem United Kingdom Animal (Scientific Procedures) Act 1986 durchgeführt, von institutionellen Ethikkommissionen (Rothamsted Research, Animal Welfare and Ethical Review Board) genehmigt und unter der Aufsicht von durchgeführt die Projektlizenznummer P592D2677. Die Studie wird gemäß den ARRIVE-Richtlinien (https://arriveguidelines.org) berichtet.

Die chemische Form der zusätzlichen Mineralien hatte keinen signifikanten Einfluss auf die Ausscheidung der Mikronährstoffe und Makronährstoffe im Urin oder Kot und auch nicht auf deren Retention als Prozentsatz der Gesamtaufnahme (Tabelle 3). Allerdings beeinflusste die Höhe der Zusatzdosis signifikant die Ausscheidung von Se im Urin (P < 0,001) und im Kot (P < 0,05) als Prozentsatz der Se-Aufnahme und die Retention von Se als Prozentsatz der Aufnahme (P < 0,001). Eine Auswirkung der zusätzlichen Dosis auf die Cu-Ausscheidung im Stuhl (P < 0,05) und die Cu-Retention (P < 0,05) als Prozentsatz der gesamten Cu-Aufnahme wurde ebenfalls beobachtet. Die Höhe der Zusatzdosis hatte keinen signifikanten Einfluss auf die Ausscheidung und Retention als Prozentsatz der Gesamtaufnahme von Zn, Mn, P und S. Es ist zu beachten, dass die berechnete Retention als Prozentsatz der Gesamtaufnahme von Zn bei Schafen bei allen Behandlungen negativ war.

Der Kot war der dominierende Ausscheidungsweg für Se, Zn, Cu, Mn und P, während der Urin der wichtigste Ausscheidungsweg für S war (Abb. 1). Über 90 % des Zn, Cu, Mn und P wurden über den Kot ausgeschieden, und über 60–80 % des Se wurden über den Kot ausgeschieden. Im Gegensatz zu anderen Nährstoffen wurden mehr als 50 % des S über den Urin ausgeschieden. Für Se kam es am 14. Tag (von 83 %) im Vergleich zum ersten Tag (66 %) zu einem Anstieg des über den Kot ausgeschiedenen Anteils. Umgekehrt wurde am 14. Tag (58 %) ein höherer Anteil an S über den Urin ausgeschieden als am 1. Tag (52 %) (Abb. 1).

Der Anteil der Mineralverteilung zwischen Urin und Kot von Schafen (Charolais × Suffolk-Mule) an Tag 1 und Tag 14. Bei den Daten handelt es sich um den Durchschnitt der Ergebnisse der vier Behandlungen.

Die Mikronährstoffkonzentrationen im Kot von Schafen, die mit organischen Nahrungsergänzungsmitteln aus Se, Zn, Cu und Mn gefüttert wurden, folgten einem ähnlichen zeitlichen Trend wie bei Schafen, denen anorganische Nahrungsergänzungsmittel verabreicht wurden. Se und Zn im Kot erreichten am dritten Tag nach steigenden Konzentrationen ein Plateau (Abb. 2a, b). Obwohl die Cu-Konzentration im Stuhl im Laufe der Zeit schwankte, wurde ein Trend zur Stabilität nach Tag 3 beobachtet (Abb. 2c). Das Mn im Kot erreichte nach Tag 7 nach steigenden Konzentrationen ein Plateau (Abb. 2d). Nachdem die Nährstoffkonzentrationen in den Fäzes ein Plateau erreicht hatten, zeigten die Behandlungen mit verschiedenen chemischen Formen und Dosierungen von Mineralstoffzusätzen keine signifikanten Auswirkungen auf die Nährstoffkonzentrationen in den Fäkalien, mit Ausnahme von Se. Die Behandlungen mit höheren Dosierungen (OH und IH) führten zu signifikant höheren Se-Konzentrationen im Stuhl als die Behandlung mit niedrigeren Dosierungen (OL und IL) (P < 0,001, Abb. 2a).

Die Konzentrationen von Mikronährstoffen und Makronährstoffen im Kot von Schafen während der Ergänzungsperiode. (a) Se (μg kg−1DM) im Kot (b) Zn (mg kg−1DM) im Kot (c) Cu (mg kg−1DM) im Kot (d) Mn (mg kg−1DM) im Kot (z ) S (mg kg−1DM) im Kot (f) P (g kg−1DM) im Kot. Die Fehlerbalken sind die Standardfehler (n = 6) der Stichproben. Die Farbe des Symbols: '', '', '*' stellt die signifikante Wirkung der Ergänzungsform (F1), der Ergänzungsdosis (F2) bzw. der Wechselwirkung von F1 und F2 dar. Die Anzahl der Starts „*“, „**“ und „***“ geben die statistische Signifikanz des ANOVA-Tests bei p-Werten < 0,05, < 0,01 bzw. < 0,001 an. Die englischen Kleinbuchstaben stellen die statistischen Ergebnisse des Post-hoc-LSD-Tests der zeitlichen Wirkung nach einem signifikanten Ergebnis des ANOVA-Tests dar.

Die Ergebnisse aufeinanderfolgender Extraktionen zeigten, dass die Gabe verschiedener Formen zusätzlicher Mineralien an Schafe keinen signifikanten Einfluss auf die chemische Fraktionierung von Cu im Kot hatte (Tabelle 4). Bei Zn führte die anorganische mineralische Form der Ergänzung zu einer deutlich höheren Zn-Verteilung in die dritte Fraktion (oxidierbar) (P = 0,0119, Tabelle 4). Allerdings machte das Zn in der dritten Fraktion weniger als 10 % des gesamten Zn in der Stuhlprobe aus. Die zusätzliche Dosis und Form hatte einen signifikanten Einfluss auf die chemische Fraktionierung von Mn in die vierte Fraktion (Rest) (P = 0,027 bzw. 0,0415, Tabelle 4). Allerdings machte das Mn in der vierten Fraktion weniger als 1 % des gesamten Mn aus. Die ergänzende Form hatte einen signifikanten Einfluss auf die chemische Fraktionierung von Se in die dritte Fraktion (gebunden an OM oder sorbiert an (Fe, Al)-Hydroxide) (P < 0,001, Tabelle 5). Die Gabe einer anorganischen Form eines Mineralstoffzusatzes an die Schafe führte dazu, dass im dritten Schritt der sequentiellen Extraktion mehr Se extrahiert wurde, als wenn ihnen ein organischer Mineralstoffzusatz angeboten wurde. Die Behandlungen mit der höheren Dosis führten im Allgemeinen zu höheren Se-Konzentrationen in allen vier extrahierten Fraktionen (P < 0,001, Tabelle 5).

Obwohl der zeitliche Effekt auf die Konzentrationen von Se, Zn, Cu und Mn im Urin signifikant war, schienen die Konzentrationen im Laufe der Zeit keinem klaren Trend zu folgen und schwankten während des Ergänzungszeitraums (Abb. 3a – d). Der Behandlungseffekt war für Zn und Mn während des gesamten Experiments nicht signifikant (Abb. 2b, d). Obwohl der Behandlungseffekt an einigen Tagen vor Tag 3 für Se und Cu signifikant war, gab es nach Tag 3 keinen signifikanten Einfluss der Mineralstoffzusatzbehandlungen oder Dosierungen auf die Konzentrationen von Se und Cu (Abb. 2a, c).

Die Konzentrationen von Mikronährstoffen und Makronährstoffen im Urin von Schafen während der Ergänzungsperiode. (a) Se (μg L−1) im Urin (b) Zn (mg L−1) im Urin (c) Cu (μg L−1) im Urin (d) Mn (μg L−1) im Urin (z ) S (mg L−1) im Urin (f) P (mg L−1) im Urin. Die Fehlerbalken sind die Standardfehler (n = 6) der Stichproben. Die Farbe des Symbols: '', '', '*' stellt die signifikante Wirkung der Ergänzungsform (F1), der Ergänzungsdosis (F2) bzw. der Wechselwirkung von F1 und F2 dar. Die Anzahl der Starts „*“ und „**“ geben die statistische Signifikanz des ANOVA-Tests bei einem p-Wert < 0,05 bzw. < 0,01 an. Die englischen Kleinbuchstaben stellen die statistischen Ergebnisse des Post-hoc-LSD-Tests der zeitlichen Wirkung nach einem signifikanten Ergebnis des ANOVA-Tests dar.

Die Konzentrationen von S und P im Kot von Schafen schienen vom Zeitpunkt der Probenahme nicht beeinflusst zu werden (Abb. 2e, f). Die Konzentrationen von S und P im Kot blieben über den gesamten Ergänzungszeitraum stabil. Die Konzentration von S im Urin erreichte nach Tag 7 nach steigenden Konzentrationen ein Plateau (Abb. 3e). Im Gegensatz zu anderen Elementen nahmen die Konzentrationen von P im Urin ab Tag 0 stetig ab und erreichten am Tag 7 die niedrigsten Konzentrationen (Abb. 3f). Die Wechselwirkung zwischen der Höhe der Zusatzdosis und der Mineralform hatte an einigen Tagen, nachdem die Konzentrationen ein Plateau erreicht hatten, einen signifikanten Einfluss (P < 0,05) auf die S- und P-Werte im Urin (Abb. 3f). Die Form des Mineralstoffzusatzes hatte keinen signifikanten Einfluss auf die Verhältnisse von Se:P und Se:S in Urin und Kot (Ergänzungstabelle S5). Die höheren Zusatzdosen führten zu deutlich (P < 0,001) höheren Verhältnissen von Se:S und Se:P im Stuhl und Se:S im Urin (Ergänzungstabelle S5).

Wenn Urin und Fäkalien auf Böden aufgebracht werden, werden sie unterschiedlich schnell abgebaut und geben unterschiedliche Mengen und Formen von Nährstoffen an die Umwelt ab23. Um den Mikronährstoffkreislauf in Weidesystemen zu verstehen, sind daher dringend Untersuchungen zur Mikronährstoffverteilung zwischen Urin und Kot bei Weidetieren erforderlich, denen routinemäßig unterschiedliche Formen und Mengen zusätzlicher Mineralien verabreicht werden. In der vorliegenden Studie hatten verschiedene chemische Formen der ergänzenden Mineralien (organisch oder anorganisch), die in den unterschiedlichen Dosierungen angeboten wurden, die typischerweise in der europäischen Futtermittelindustrie angewendet werden, keinen Einfluss auf die Verteilung und Gesamtausscheidung von Zn und Mn (% der Gesamtaufnahme in Urin und Kot). von Schafen (Tabelle 3). Obwohl die unterschiedlichen Dosierungen einen erheblichen Einfluss auf die Gesamtausscheidung von Cu über den Stuhl hatten, hatte die chemische Form keinen signifikanten Einfluss und der Stuhl war immer noch der dominierende Ausscheidungsweg für Cu. Dieses Ergebnis stimmt mit früheren Studien überein, in denen festgestellt wurde, dass der Kot der wichtigste Ausscheidungsweg von Zn, Cu und Mn bei Schafen ist4,5,6,7,8.

Es wurde festgestellt, dass die Zn-Retention bei allen Behandlungen negativ war. Dies hängt höchstwahrscheinlich mit dem erheblichen Eintrag von Zn aus dem Trinkwasser zusammen (Ergänzungstabelle S2), der nicht in die Berechnung der Gesamtaufnahme einbezogen wurde. Die Zn-Konzentration im Trinkwasser war deutlich höher als im Leitungswasser und wurde in mg L−1 angegeben und wurde auf die verzinkten Rohre oder Tröge zurückgeführt. Das Trinkwasser allein könnte schätzungsweise 2,14–11,9 mg Zn pro Tag liefern, wenn man von einer täglichen Aufnahme von 2–6 l Wasser ausgeht. Die hohe Zn-Zufuhr aus der Grundnahrung (47–55 %, Tabelle 2) zusammen mit der Zn-Zufuhr aus dem Trinkwasser könnte die Wirkung von zugesetztem Zn auf die Antwortvariablen verdeckt haben. Ähnliche Maskierungseffekte könnten auch für Mn aufgetreten sein, mit ca. 80 % werden über die Grundnahrung bereitgestellt (Tabelle 2). Dieser Maskierungseffekt der Grundnahrung könnte der Grund dafür sein, dass der Effekt der Dosisstufe nur für Cu und Se signifikant war, wo der Prozentsatz der Grundnahrung bei den Behandlungen mit höherer Dosis 50 % bzw. 30 % betrug.

Für Se zeigte die Studie von Paiva et al.12, dass die zusätzliche Dosis ein entscheidender Faktor dafür sein kann, ob die Wirkung der zusätzlichen Mineralstoffform signifikant ist. Bei niedrigen Se-Ergänzungsdosen (0,20–0,80 mg Se kg−1 TS oder 0,23–1,04 mg Se Tag−1) berichteten Paiva et al.12 über keine signifikante Wirkung der chemischen Form von Se-Ergänzungsmitteln auf die Ausscheidung von Se im Stuhl oder Urin . Bei höheren Se-Zusatzdosen (1,4 mg-Se kg-1 TS oder 1,68–1,98 mg Se-Tag-1) gab es dagegen einen signifikanten Unterschied in der fäkalen Ausscheidung von Se (anorganisches Se > organisches Se), der sich jedoch nicht widerspiegelte im Urin. In der aktuellen Studie gab es jedoch keine signifikante Wechselwirkung zwischen Dosishöhe und Form. Auch die unterschiedlichen chemischen Formen der Nahrungsergänzungsmittel in den beiden unterschiedlichen Dosierungen hatten keinen signifikanten Einfluss auf die Verteilung von Se in Urin und Fäzes (Tabelle 3). Die in der aktuellen Studie angenommenen zusätzlichen Se-Dosen lagen unter 0,4 mg Se pro Tag (Tabelle 2), was im Bereich der „niedrigen se-Zusatzmengen“ von Paiva et al.12 liegt. Obwohl die Ergänzung von Se in hohen Konzentrationen (> 1,68 mg Se Tag−1) die Wirkung verschiedener ergänzter Formen in der Studie von Paiva et al. aufklären konnte. In einer Studie12 beschränkt die Europäische Kommission den Gehalt an zusätzlichem organischem Se auf 0,2 mg Se pro kg-1 TS der vollständigen Aufnahme bei 12 % Feuchtigkeit. In der aktuellen Studie, die die aktuelle landwirtschaftliche Praxis nachbilden wollte, entsprach dies ca. 0,25 mg Se d−1 je nach Aufnahme, wobei die Wirkung der verschiedenen chemischen Formen nicht beobachtet wurde.

Auch wenn die verschiedenen Formen zusätzlicher Mineralien keinen signifikanten Einfluss auf die Konzentrationen von Se, Zn, Cu und Mn in Urin und Kot hatten (Abb. 2, 3), heißt das nicht, dass die Mineralform möglicherweise keinen Einfluss auf die chemischen Formen hat des ausgeschiedenen Se, Zn, Cu und Mn im Urin und Kot. Da Se, Zn, Cu und Mn hauptsächlich über Fäkalien ausgeschieden werden, wurden die chemischen Formen der Elemente in den Fäkalien mithilfe aufeinanderfolgender Extraktionen untersucht. Jede extrahierte Fraktion ist operativ in dem Sinne definiert, dass sie die Menge eines Elements darstellt, die durch eine bestimmte chemische Lösung extrahiert werden kann. Obwohl sequentielle Extraktionen die chemische Speziation nicht direkt bestimmen, können sie einen Hinweis auf die Auswirkungen von Behandlungen auf die Chemie und Bioverfügbarkeit der im Kot ausgeschiedenen Mikronährstoffe geben. Elemente, die zu Beginn des Prozesses extrahiert werden, sind im Allgemeinen schwach an die feste Phase gebunden und weisen daher eine größere potenzielle Mobilität auf als später freigesetzte Elemente24. Unter der Annahme, dass die Bioverfügbarkeit der extrahierten Elemente eine Funktion der Löslichkeit und Mobilität ist, geht man davon aus, dass Elemente, die in den ersten beiden Schritten der verwendeten sequentiellen Extraktion extrahiert werden, für Pflanzen leicht verfügbar sind, während die Schritte 3 und 4 zunehmend weniger verfügbar sind.

Die Ergebnisse der sequentiellen Kotextraktion zeigten, dass die zusätzliche Mineralform keinen signifikanten Einfluss auf das extrahierte Se, Zn, Cu und Mn in den ersten beiden Schritten hatte (Tabellen 4, 5). Es gab jedoch signifikante Unterschiede im dritten Schritt für die Se- und Zn-Extraktion und im vierten Schritt für die Mn-Extraktion. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass verschiedene Formen (organisch oder anorganisch) von Zusatzmineralien keinen Einfluss auf das leicht verfügbare Se, Zn, Cu und Mn haben, nachdem der Kot in den Boden eingebracht wurde, aber möglicherweise einen langfristigen Einfluss auf den endgültigen Fluss von Se, Zn haben und Mn in der Umwelt durch Beeinflussung der weniger verfügbaren Fraktionen. Die dritte und vierte Fraktion der aufeinanderfolgenden Extraktionen sind mit Mikronährstoffen verbunden, die an organische Substanz (OM) und/oder Fe/Al-Hydroxide gebunden sind, die weniger mobil sind als die vorherigen Fraktionen. Die Freisetzung der Mikronährstoffe aus den OM- und/oder Fe/Al-Oxiden nach dem Aufbringen der Fäkalien auf den Boden kann aufgrund der unterschiedlichen Affinität der Se-, Zn-, Cu- und Mn-Spezies zu OM- und Fe/Al-Oxiden elementabhängig sein die verschiedenen geochemischen Reaktionen, die diese Elemente durchlaufen können1. Auch die Bioverfügbarkeit und die Aufnahme der freisetzenden Mikronährstoffe können je nach Pflanze unterschiedlich sein25. Weitere Forschung ist erforderlich, um die möglichen Auswirkungen der zusätzlichen Mineralform auf den langfristigen Fluss von Se, Zn und Mn im Boden zu verstehen.

Die Verfügbarkeit von Se für Pflanzen hängt nicht nur von der insgesamt in der Umwelt verfügbaren Se ab. Frühere Studien haben gezeigt, dass die Aufnahme von Se aus dem Boden durch Elemente verringert werden kann, die in Pflanzen über die gleichen Nährstofftransportmechanismen verfügen. Beispielsweise wurde gezeigt, dass die Anwendung von S-Dünger auf den Boden die Se-Aufnahme durch Weidelgras, Luzerne (Medicago sativa) und Weizen (Triticum aestivum) verringert26,27,28. Fan et al.29 zeigten, dass die Se-Konzentration im Weizenkorn bei der Anwendung von Sulfatdünger immer niedrig war. Diese Beobachtungen können auf den elementaren Antagonismus zwischen Se und S26,28 zurückgeführt werden, da angenommen wird, dass SO42− und SeO42− in Pflanzen denselben Transporter haben30. In einem Lösungskulturversuch mit Deutschem Weidelgras wurde ein Rückgang der SeO42−-Aufnahme um > 90 % als Reaktion auf einen zehnfachen Anstieg von SO42− und ein Rückgang der SeO32−-Aufnahme um 30–50 % als Reaktion auf einen zehnfachen Anstieg beobachtet Anstieg von PO43− zur Lösung16. Um den potenziellen Antagonismus zwischen Se, S und P widerzuspiegeln, wurde ihr Gleichgewicht in Urin und Kot untersucht, indem die Verhältnisse von Se: S und Se: P in den Exkrementen berechnet wurden (Ergänzungstabelle S5).

Es wurde kein signifikanter Einfluss der zusätzlichen Mineralform auf die Verhältnisse von Se:S und Se:P in den Ausscheidungen oder auf das leicht verfügbare Se für die Pflanzenaufnahme beobachtet, wie in der sequentiellen Extraktion gezeigt (Tabelle 5). Darüber hinaus unterschieden sich die chemischen Formen und Gesamtkonzentrationen von P und S, die den Schafen verabreicht wurden, sowie die Verteilung von P und S zwischen Urin und Kot zwischen den Behandlungen nicht signifikant. Die höheren zusätzlichen Se-Dosierungen führten jedoch zu höheren Verhältnissen von Se:S und Se:P im Urin und Kot (Ergänzungstabelle S5). Bei den beiden in der aktuellen Studie verwendeten Dosen handelt es sich um Dosen, die typischerweise von der europäischen Futtermittelindustrie verwendet werden. Dieses Ergebnis zeigt, dass unterschiedliche Dosen von Mineralstoffzusätzen die Verhältnisse von Se:S und/oder Se:P in Schafausscheidungen erheblich beeinflussen und wiederum den Se-Fluss in der Umwelt beeinflussen können. Daher sind Studien zum möglichen Einfluss unterschiedlicher Se:S- und Se:P-Verhältnisse in tierischen Ausscheidungen auf den Se-Fluss in Weidesystemen erforderlich.

Die P-Konzentrationen im Urin verschiedener Behandlungen nahmen stetig ab (Abb. 2f), aber die P-Konzentrationen im Stuhl blieben über die Zeit konstant (Abb. 2f). Die zeitliche Abnahme des Urin-P schien nicht auf eine variable P-Aufnahme aus Silage zurückzuführen zu sein, da die P-Konzentrationen in der Silage während des Ergänzungszeitraums (Tag 1 bis Tag 14) nicht signifikant unterschiedlich waren (Ergänzungstabelle S3). Es wurde gezeigt, dass die P-Konzentration im Urin mit der Speichel-P-Konzentration zusammenhängt und die P-Verteilung zwischen Speichel und Urin durch die Art der angebotenen Ernährung beeinflusst wird4. Mit zunehmendem Ballaststoffgehalt der Nahrung verschiebt sich die Aufteilung des anfänglich absorbierten P zwischen Speichelsekretion und Harnausscheidung in Richtung Speichelweg4,31. Es wurde berichtet, dass die Speichelflussrate der Hauptkontrollfaktor für die P-Ausscheidung im Urin ist, da eine sinkende Speichelflussrate die P-Konzentration im Plasma erhöht und dazu führt, dass mehr P über den Urin ausgeschieden wird32. In der aktuellen Studie ist es jedoch unwahrscheinlich, dass eine Änderung der physikalischen Eigenschaften der Nahrung den abnehmenden P im Urin erklärt, da es keinen signifikanten Unterschied im Verhältnis von Silage zu Konzentrat (Ergänzungsabbildungen S1 und S2) oder in der Verdaulichkeit der Silage (Ergänzungserklärung) gab Tabelle S3) im Laufe der Zeit.

Obwohl Mikronährstoffe nur einen geringen Anteil am gesamten Körpergewicht ausmachen, spielen sie eine entscheidende Rolle bei Stoffwechselreaktionen1. Beispielsweise spielt Zn eine entscheidende Rolle bei der Bildung von DNA-bindenden Proteinen, die die Transkription und damit die Zellreplikation beeinflussen4. Die erhöhte Zn-Aufnahme kann den Stoffwechsel steigern, was die Verwendung von P als Teil von Adenosintriphosphat (ATP) beinhaltet, und könnte wiederum die Verwendung von P bei Schafen erhöhen, was zu sinkenden P-Konzentrationen im Urin führt. Darüber hinaus ist P direkt am Se-Stoffwechsel beteiligt und bildet SePO33−, ein Zwischenprodukt bei der Synthese von Selenocystein (Sec)33,34, das bei Tieren ebenfalls eine ATP-erfordernde Stoffwechselaktivität darstellt. Daher kann der sinkende P-Spiegel im Urin mit der Aufnahme von Mineralstoffzusätzen zusammenhängen, und zwar durch einen verbesserten Mineralstoffstatus des Tieres, der den Stoffwechsel und damit die P-Retention verbessert.

Diese Studie untersuchte den möglichen Einfluss der chemischen Formen (organisch oder anorganisch) des zugesetzten Se, Zn, Cu und Mn auf die Nährstoffverteilung, die Nährstoffzusammensetzung und das Nährstoffgleichgewicht im Urin und Kot von Schafen, die den Mikronährstoffkreislauf im Schafspelz weiter beeinflussen können Umfeld. Um die Praktiken auf landwirtschaftlichen Betrieben widerzuspiegeln, wurden zwei Ergänzungsdosen der von der europäischen Industrie verwendeten Mineralstoffzusätze eingeführt. Die Form der ergänzten Mineralien hatte bei keiner industriellen Dosierung einen signifikanten Einfluss auf die ausgeschiedenen Konzentrationen von Se, Zn, Cu und Mn oder auf deren Ausscheidungsverteilung zwischen Urin und Kot. Obwohl die Konzentrationen der leicht bioverfügbaren Mikronährstoffe im Kot durch die Mineralformen nicht beeinflusst wurden, gab es Unterschiede bei den widerspenstigeren Fraktionen (durch sequentielle Extraktion) von Se, Zn und Cu im Kot, wenn Schafen verschiedene Formen zusätzlicher Mineralien verabreicht wurden. Die Auswirkungen dieser Unterschiede auf den Mikronährstofffluss auf der Weide und in der weiteren Umwelt müssen weiter untersucht werden. Die unterschiedlichen Zusatzdosen veränderten auch die Verhältnisse von Se:P und Se:S im Stuhl und Se:S im Urin, was sich auf den Se-Fluss in der Umwelt auswirken kann. Weitere Studien sind ebenfalls erforderlich, um diesen möglichen Einfluss zu untersuchen. Schließlich wurden sinkende P-Konzentrationen im Urin beobachtet, wenn den Schafen Mineralstoffzusätze verabreicht wurden. Diese Beobachtung wurde auf einen möglicherweise verbesserten Stoffwechsel der Schafe durch die Mineralstoffzusätze und im Gegenzug auf eine verbesserte P-Retention zurückgeführt. Ob die Beobachtung einer verringerten P-Konzentration im Urin in anderen Mineralstoffzusatzversuchen reproduzierbar ist und wozu? Inwieweit dies den P-Kreislauf in den Systemen beeinflussen könnte, bedarf weiterer Untersuchungen.

Der während der aktuellen Studie generierte und analysierte Datensatz ist im Rothamsted-Repository verfügbar, https://doi.org/10.23637/rothamsted.98883.

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Sarah Dunham, Mark Durenkamp und Aranzazu Louro-Lopez von Rothamsted Research halfen bei einigen Arbeiten zur Probenvorbereitung und -analyse. Andrew Mead und Kirsty Hassall von der Abteilung für Computer- und Analysewissenschaften von Rothamsted Research halfen bei der experimentellen Gestaltung und Randomisierung des Versuchstiers. Der Bericht enthält Daten der North Wyke Farm Platform, einer britischen nationalen Einrichtung, die vom Biotechnology and Biological Sciences Research Council (BBSRC) (BBS/E/C/000J0100) unterstützt wird.

Diese Arbeit wurde durch eine strategische Allianz zwischen Rothamsted Research und dem Alltech Bioscience Center finanziert, die die Doktorarbeit des Hauptautors finanzierte.

Rothamsted Research, North Wyke, Okehampton, EX20 2SB, Devon, Großbritannien

P.-T. Kao, H. Fleming & T. Darch

Alltech Bioscience Centre, Sarney, Summerhill Road, Dunboyne, Co. Meath, Irland

H. Warren

Rothamsted Research, Harpenden, AL5 2JQ, Hertfordshire, Großbritannien

SP McGrath

School of Earth Sciences, University of Bristol, Bristol, BS8 1RJ, Großbritannien

HL-Bus

Harper Adams University, Newport, TF10 8NB, Shropshire, Großbritannien

MRF Lee

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P.-TK: Konzeptualisierung, Datenkuration, formale Analyse, Untersuchung, Methodik, Schreiben – Originalentwurf. HF: Untersuchung, Methodik. HW: Ressourcen, Betreuung, Schreiben – Überprüfung und Bearbeitung. TD: Aufsicht, Schreiben – Überprüfen und Bearbeiten. SPM: Betreuung, Schreiben – Überprüfen und Bearbeiten. HB: Betreuung, Schreiben – Überprüfung und Bearbeitung. MRFL: Konzeptualisierung, Methodik, Finanzierungseinwerbung, Projektverwaltung, Schreiben – Überprüfung und Bearbeitung.

Korrespondenz mit P.-T. Kao.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Kao, PT., Fleming, H., Warren, H. et al. Der Einfluss der Fütterung zusätzlicher Mineralien an Schafe auf die Rückführung von Mikronährstoffen über Urin und Kot auf die Weide. Sci Rep 13, 2747 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-29717-3

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Eingegangen: 13. April 2022

Angenommen: 09. Februar 2023

Veröffentlicht: 16. Februar 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-29717-3

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