Studies on nitrogen utilization in ruminants

• Main Author: Batista, Erick Darlisson
• Other Authors: Titgemeyer, Evan Charles
• Language: English
• Published: Universidade Federal de Viçosa 2016
• Subjects: Bovino - Alimentação e rações; Metabolismo do nitrogênio; Proteínas; Digestão; Nutrição e Alimentação Animal
• Online Access: http://www.locus.ufv.br/handle/123456789/7287

Submitted by Marco Antônio de Ramos Chagas ([e-mail]) on 2016-02-18T14:08:01Z No. of bitstreams: 1 texto completo.pdf: 2562998 bytes, checksum: 273a8314c10a7b7d96ab2dce28158e59 (MD5) === Made available in DSpace on 2016-02-18T14:08:02Z (GMT). No. of bitstreams: 1 texto completo.pdf: 2562998 bytes, checksum: 273a8314c10a7b7d96ab2dce28158e59 (MD5) Previous issue date: 2015-11-25 === Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico === Em ruminantes, a eficiência de utilização do nitrogênio (N; g de N em produto/g de N consumido) é baixa quando comparada a outras espécies (e.g., suínos, aves). Por esta razão, há uma excreção excessiva de compostos nitrogenados para o meio ambiente. No entanto, entendendo os mecanismos envolvidos no controle do metabolismo de N, tais como a eficiência de captura do N reciclado no rúmen e o metabolismo de aminoácidos (AA) pode melhorar a eficiência de utilização de N. Objetivando o entendimento destes fatores, esta tese foi desenvolvida a partir de três estudos. O objetivo do primeiro estudo foi avaliar os efeitos da suplementação com proteína degradável (PDR) e não-degradável no rúmen (PNDR) sobre a digestão de nutrientes, metabolismo de N, cinética de ureia, e degradação de proteína muscular em novilhas Nelore (Bos indicus) consumindo feno de capim-Braquiária [5% de proteína bruta (PB); 80% de fibra em detergente neutro (FDN); ambos em % da matéria seca (MS)]. Foram utilizadas cinco novilhas Nelore canuladas no rúmen e abomaso (248±9 kg) distribuídas em um quadrado latino 5 × 5. Os tratamentos foram: controle (sem suplemento); e suplementação com PDR para atender 100% das exigências de PDR mais suplementação com PNDR visando suprir 0%, 50%, 100% ou 150% das exigências de PNDR. O suplemento com PDR (caseína e N não-proteico) foi fornecido duas vezes ao dia, enquanto a PNDR suplementar foi continuamente infundida no abomaso. Infusão venosa de [ 15 N 15 N]-ureia com a avaliação do enriquecimento urinário foi realizada para mensurar a cinética de ureia. A relação entre 3-metil- histidina e creatinina foi utilizada para estimar a degradação de proteína muscular. O consumo de FDN (2,48 kg/dia) não foi afetado pela suplementação (P>0,37), mas elevou a digestão ruminal de FDN (P<0,01). O consumo total e a retenção de N aumentaram (P<0,001) com a suplementação e linearmente com os níveis de PNDR. A produção hepática de ureia (UER) e a reciclagem de ureia para o trato gastrointestinal (GER) foram ampliados pela suplementação (P<0,001). A suplementação com PNDR incrementou linearmente UER (P=0,02) e tendeu a aumentar linearmente GER (P=0,07). A ureia reciclada utilizada para fins anabólicos tendeu (P=0,07) a ser ampliada pela suplementação e os níveis de PNDR também tenderam (P=0.08) a aumentar linearmente a quantidade de ureia reciclada para o anabolismo. A fração de N microbiano assimilado a partir da ureia reciclada (MNU) foi maior (P<0,001) para novilhas controle (22%) do que para as novilhas suplementadas (10%). A relação urinária 3-metil- histidina:creatinina foi cerca de duas vezes superior (P<0,001) em novilhas controle do que suplementadas. Novilhas não-suplementadas reabsorveram uma fração maior de ureia a partir dos túbulos renais do que as novilhas suplementadas (P<0,001). No geral, novilhas não- suplementadas apresentaram maior mobilização de AA a partir da proteína miofibrilar para fornecer N para síntese de ureia e subsequente reciclagem. Suplementação com PNDR, associada a suplementação com PDR, além de ampliar a retenção de N, também aumenta a reciclagem de N-ureia e a síntese de proteína microbiana. No segundo capítulo, foram avaliadas a cinética de ureia e assimilação microbiana de N-ureia reciclado em ruminantes utilizando meta-análise. Valores de 107 médias de tratamentos foram compiladas a partir de 25 estudos com ruminantes (bovinos de corte, vacas de leite e ovinos) publicados entre 2001 e 2016. O conjunto de dados foi analisado de acordo com técnicas de meta-análise utilizando modelos mistos lineares e não-lineares, considerando a variação aleatória entre experimentos. Houve um aumento linear (P<0,05) entre UER e GER em função do consumo de N (g/BW 0,75 ), correspondendo a cerca de 71,5% e 35,2% do consumo de N, respectivamente. A UER foi positivamente associada (P<0,05) com os níveis de PB na dieta e PB em relação à matéria orgânica digerida (PB:MOD). A análise da máxima curvatura indicou que dietas com níveis de PB acima de 17% promovem uma sobrecarga na síntese hepática de ureia, devido a um possível excesso de N dietético, produção de amônia e detoxificação no fígado. A relação entre GER e UER reduziu com o aumento do conteúdo de PB na dieta (P<0,05). A fração GER:UER torna- se relativamente constante quando são fornecidas dietas com níveis de PB acima de 19%. A fração de UER excretada como N-ureico e a contribuição deste para excreção total de N urinário foram positivamente associadas com o teor de PB na dieta (P<0,05), atingindo o platô em níveis de PB próximo de 17%. Em relação à cinética de ureia, a fração de GER excretada nas fezes e utilizada para o anabolismo foram reduzidas, enquanto a fração que retorna para o ciclo da ornitina ampliou com níveis de PB (P<0,05). A fração de N microbiano assimilado a partir da ureia reciclada foi reduzida (P<0,05) com níveis de PB e PB:MOD da dieta. Considerando o intervalo de confiança da assíntota do modelo de predição de MNU em função da PB:MOD, a eficiência de assimilação microbiana do N-ureia reciclado estabilizou (P>0,05) a partir de 194 g PB/kg MOD. Os modelos obtidos neste estudo podem contribuir para o atual conhecimento da utilização de N nos sistemas de predição de dietas para otimização da reciclagem de ureia, reduzindo perdas de N que contribuem para a poluição do ar e da água. O objetivo do estudo descrito no terceiro capítulo foi avaliar a eficiência de utilização de lisina em novilhos em crescimento. Cinco novilhos holandeses fistulados no rúmen (165±8 kg) e mantidos em gaiolas metabólicas foram utilizados segundo delineamento em quadrado latino 6 × 6. Todos os novilhos receberam dieta restrita (2,46 kg de MS/dia) fornecida duas vezes ao dia, contendo baixo teor de PNDR (81% de casca de soja, 8% de palha de trigo, 6% de melaço e 5% de vitaminas e minerais). Os tratamentos foram: 0, 3, 6, 9, 12 e 15 g/dia de L-lisina infundida continuamente no abomaso. Uma mistura de todos os AA essenciais foram também infundidos em conjunto para prevenir a limitação de outros AA, exceto lisina. Adicionalmente, os novilhos receberam infusão contínua de 10 g/dia de ureia, 200 g/dia de ácido acético, 200 g/dia de ácido propiônico e 50 g/dia de ácido butírico no rúmen; e 300 g/dia de glicose no abomaso. Estas infusões forneceram concentração de amônia no rúmen e energia suplementar adequados sem promoverem alteração sobre a produção de proteína microbiana. Cada período experimental foi constituído de seis dias, sendo dois dias de adaptação e quatro dias de coleta total de fezes e urina para mensurar o balanço de N. Amostras de sangue foram coletadas no sexto dia (10 horas após alimentação). A digestibilidade de MO da dieta não foi alterada (P≥0,66) pelos tratamentos sendo, em média, 73,7%. A excreção urinária de N reduziu de 32,3 para 24,3 g/dia entre os níveis de 0 a 9 g/dia de suplementação com lisina, com nenhum aumento verificado com níveis superiores a 9 g/dia (efeito linear e quadrático, P<0,01). Os efeitos sobre a excreção urinária total de N foram principalmente devido a excreção de N-ureia. O aumento da suplementação com lisina de 0 para 9 g/dia ampliou a retenção de N de 21,4 para 30,7 g/dia, com nenhum aumento verificado após este último nível de suplementação (efeito linear e quadrático, P<0,01). Sobre a resposta linear verificada com a suplementação de lisina variando de 0 a 9 g/dia a eficiência de utilização de lisina para deposição de proteína foi de 40%. A concentração plasmática de N-ureia tendeu a reduzir linearmente (P=0,06) com a suplementação de lisina, conforme observado para a redução na excreção urinária de N-ureia. A concentração plasmática de lisina aumentou linearmente (P<0,001), mas as concentrações de leucina, serina, valina e tirosina foram reduzidas linearmente (P<0,02) com os níveis de lisina suplementar, provavelmente devido a maior utilização destes AA para deposição de proteína. De acordo com este modelo, a suplementação com lisina promoveu aumento significativo na retenção de N que foi maximizada com a suplementação de 9 g/dia de lisina, apresentando 40% de eficiência de utilização. === In cattle, efficiency of nitrogen (N) utilization (g N in product/g N intake) is lower compared to others species (e.g., pig, chicken). For that reason, there is an extensive loss of N in manure, leading to environmental pollution. However, understanding the key mechanisms involved in control of N metabolism, such as efficiency of N capture in the rumen from recycled N and metabolism of amino acids (AA) in the body can improve efficiency of N utilization. To understand these factors, this dissertation was developed based on three studies. The objective of the first study was to evaluate the effects of supplemental ruminally degradable (RDP) and undegradable protein (RUP) on nutrient digestion, N metabolism, urea kinetics, and muscle protein degradation in Nellore heifers (Bos indicus) consuming low-quality signal grass hay [5% of crude protein (CP), 80% of neutral detergent fiber (NDF); dry matter (DM) basis). Five ruminally and abomasally cannulated Nellore heifers (248 ± 9 kg) were used in a 5 × 5 Latin square. Treatments were: control (no supplement); and RDP supplementation to meet 100% of the RDP requirement plus RUP provision to supply 0%, 50%, 100%, or 150% of the RUP requirement. Supplemental RDP (casein plus nonprotein N) was dosed ruminally twice daily, and RUP supply (casein) was continuously infused abomasally. Jugular infusion of [ 15 N 15 N]- urea with measurement of enrichment in urine was used to evaluate urea kinetics. The ratio of urinary 3-methylhistidine to creatinine was used to estimate skeletal muscle protein degradation. Forage NDF intake (2.48 kg/d) was not affected (P > 0.37) by supplementation, but supplementation did increase ruminal NDF digestion (P < 0.01). Total N intake (by design) and N retention increased (P < 0.001) with supplementation and also increased linearly with RUP provision. Urea entry rate (UER) and gastrointestinal entry rate of urea (GER) were increased by supplementation (P < 0.001). Supplementation with RUP linearly increased (P = 0.02) UER and tended (P = 0.07) to linearly increase GER. Urea use for anabolic purposes tended (P = 0.07) to be increased by supplementation, and RUP provision also tended (P = 0.08) to linearly increase the amount of urea used for anabolism. The fraction of recycled urea- N incorporated into microbial N (MNU) was greater (P < 0.001) for control (22%) than for supplemented (10%) heifers. Urinary 3-methylhistidine:creatinine of control heifers was more than double that of supplemented heifers (P < 0.001). Control heifers reabsorbed a greater (P < 0.001) fraction of urea from the renal tubule than did supplemented heifers. Overall, unsupplemented heifers had greater mobilization of AA from myofibrillar protein, which provided N for urea synthesis and subsequent recycling. Supplemental RUP, when RDP was supplied, not only increased N retention, but also supported increased urea-N recycling and increased ruminal microbial protein synthesis. In the second chapter, urea kinetics and microbial assimilation of recycled urea N in ruminants were evaluated using a meta-analytical approach. Treatment mean values were compiled from 25 studies with ruminants (beef cattle, dairy cows, and sheep) which were published from 2001 to 2016, totaling 107 treatment means. The dataset was analyzed according to meta-analysis techniques using linear or non-linear mixed models, taking into account the random variations among experiments. Urea N synthesized in the liver (UER) and urea N recycled to the gut (GER) linearly increased (P < 0.001) as N intake (g/BW 0.75 ) increased, with increases corresponding to 71.5% and 35.2% of N intake, respectively. The UER was positively associated (P < 0.05) with dietary CP and the ratio of CP to digestible OM (CP:DOM). Maximum curvature analyses indicate that above 17% of CP there is a prominent increase on hepatic synthesis of urea N due to an excess of dietary N and NH 3 input. The GER:UER decreased with increasing dietary CP content (P < 0.05). At dietary CP ≥ 19%, the fraction of GER became constant. The fraction of UER eliminated as urinary urea N and the contribution of urea N to total urinary N were positively associated with dietary CP (P < 0.05), plateaued at about 17% of CP. The fractions of GER excreted in the feces and utilized for anabolism decreased, whereas the fraction of GER returned to the ornithine cycle increased with dietary CP content (P < 0.05). Recycled urea N assimilated by ruminal microbes (as a fraction of GER) decreased as dietary CP and CP:DOM increased (P < 0.05). The efficiency of microbial assimilation of recycled urea N plateaued at 194 g CP/kg DOM. The models obtained in this study can to contribute to the knowledge on N utilization in feeding models and optimizing urea recycling, reducing N losses that contribute to air and water pollution. The objective of the third chapter was to evaluate the efficiency of lysine (Lys) utilization by growing steers. Five ruminally cannulated Holstein steers (165 kg ± 8 kg) housed in metabolism crates were used in a 6 × 6 Latin square design; data from a sixth steer was excluded due to erratic feed intake. All steers were limit fed (2.46 kg DM/d) twice daily diets low in RUP (81% soybean hulls, 8% wheat straw, 6% cane molasses, and 5% vitamins and minerals). Treatments were: 0, 3, 6, 9, 12, and 15 g/d of L-Lys abomasally infused continuously. To prevent AA other than Lys from limiting performance, a mixture providing all essential AA to excess was continuously infused abomasally. Additional continuous infusions included 10 g urea/d, 200 g acetic acid/d, 200 g propionic acid/d, and 50 g butyric acid/d to the rumen and 300 g glucose/d to the abomasum. These infusions provided adequate ruminal ammonia and increased energy supply without increasing microbial protein supply. Each 6-d period included 2 d for adaptation and 4 d for total fecal and urinary collections for measuring N balance. Blood was collected on d 6 (10 h after feeding). Diet OM digestibility was not altered (P ≥ 0.66) by treatment and averaged 73.7%. Urinary N excretion decreased from 32.3 to 24.3 g/d by increasing Lys supplementation to 9 g/d, with no further reduction when more than 9 g/d of Lys was supplied (linear and quadratic P < 0.01). Changes in total urinary N excretion were predominantly due to changes in urinary urea-N. Increasing Lys supply from 0 to 9 g/d increased N retention from 21.4 to 30.7 g/d, with no further increase beyond 9 g/d of Lys (linear and quadratic P < 0.01). Break-point analysis estimated maximal N retention at 9 g/d supplemental Lys. Over the linear response surface of 0 to 9 g/d Lys, the efficiency of Lys utilization for protein deposition was 40%. Plasma urea-N tended to be linearly decreased (P = 0.06) by Lys supplementation in agreement with the reduction in urinary urea-N excretion. Plasma concentrations of Lys increased linearly (P < 0.001), but leucine, serine, valine, and tyrosine (P ≤ 0.02) were reduced linearly by Lys supplementation, likely reflecting increased uptake for protein deposition. In our model, Lys supplementation promoted significant increases in N retention and was maximized at 9 g/d supplemental Lys with efficiency of utilization of 40%.