Mitigating the greenhouse gas balance of ruminant production by identifying plants with high tannin concentration and quantifying the methane emission in vivo

• Main Author: Dhanasekaran, Dinesh Kumar
• Other Authors: Abdalla, Adibe Luiz
• Format: Others
• Language: en
• Published: Biblioteca Digitais de Teses e Dissertações da USP 2016
• Subjects: Anti-methanogenic properties; Food security; In vivo; Leucaena leucocephala; Propriedades anti metanogênicas; Segurança alimentar
• Online Access: http://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/64/64133/tde-21072016-101253/

In Brazil, with the continued expansion of agriculture for supplying demands from international markets, progressive increases in emissions of green house gases are expected. The purpose of the project was hypothesized with three major approaches, 1) Strategies to mitigate methane emission in small ruminant production systems; 2) Identify tropical plants and individual bioactive compound against methanogenic propertie and 3) In vivo evaluation of the nutrients metabolism of Santa Ines sheep fed with tropical plants. For this, we have performed three experiments. The first study (Expt. 1) was designed to determine the in vitro effects of three tropical tannin rich plants such as Leucaena leucocephala (LL), Mimosa caesalpineafolia (MC), Schinus molle (SM) and one non-tannin rich plant Medicavo sativa (MS) for their anti-methanogenic properties when used with and without polyethylene glycol (PEG). All plants had significantly (P<0.05) influenced the degraded organic matter (TDOM) and degraded neutral detergent fiber (DNDF), especially LL, which had most influence on these parameters compared to other tannin containing plants. LL had positive response on antimethanogenic effects; its nutrient degradability was higher than that of other tannin containing plants. The second study (Expt. 2) was set to evaluate the effect of different organic extracts from the whole plant methanolic extract (MHE) of LL on in vitro gas production and to characterize the chemical constituents by using gas chromatography coupled with mass spectroscopy (GC-MS). Major abundant compounds present at the relative percentages of MHE were found to be stigmasterol trimethyl ester (TMS), neophytadiene, palmitic acid TMS, ?-Linolenic acid TMS and 2, 3, 5, 6-Tetra-M-Anisylbenzene. The effects of additions of different extracts in terms of nutrient degradability (TDOM and DNDF) were increased by all extracts. This study explained that the hexane extract from whole plant MHE was effective against methanogenic activity. The objective of the third study (Expt. 3) was to study the effect of LL plant leaves on rumen fermentation, apparent nutrient digestibility, nitrogen balance and methane production in Santa Ines sheep. The animals were divided in three groups in which they were fed with (i) 88% Tifton 85-hay (Cynodon dactylon) and 12% soyabean meal (Control group, n=4); (ii) 28% Tifton 85-hay (Cynodon dactylon) and 72% LL plus 20 ml solution containing 10g/day/animal of PEG (With PEG group - WPEG, n=6); (iii) 28% Tifton 85-hay (Cynodon dactylon) and 72% LL plus 20 ml of distilled water (Without PEG group- WOPEG, n=6). Nutrient intake (dry matter, organic matter, acid detergent fiber, lignin and crude protein) were higher in WPEG and WOPEG compared to the control group, except neutral detergent fiber intake. Apparent digestibilities and nitrogen metabolism had non-significant effects between the treatments. However, CH4 emissions were significantly lower in WPEG and WOPEG than the control. Furthermore, expressions of microbial populations of methanogens in WPEG had lower tendency than that of WOPEG and control. The most salient findings of this study were that, using plant rich in tannin in diets of small ruminants, we can get more benefits in terms of replacing the source of protein in the diet (food safety) and reduced production of enteric CH4 (animal production) === No Brasil, com expansão da agricultura para suprir as exigências dos mercados internacionais, são esperados aumentos progressivos nas emissões de gases do efeito estufa. O objetivo do projeto foi hipotetisado com três abordagens principais, 1) estratégias para mitigar emissões de metano em sistemas de produção de pequenos ruminantes; 2) identificar plantas tropicais com compostos bioativos com propriedades anti metanogénicas e 3) avaliação in vivo do metabolismo de nutrientes em ovelhas Santa Inês alimentadas com planta taninífera. Para isso, foram efetuados três experimentos. O primeiro estudo (Expt 1) foi concebido para estudar os efeitos in vitro de plantas tropicais ricas em tanino como Leucaena leucocephala (LL), Mimosa caesalpineafolia (MC) e Schinus molle (SM) e uma planta não taninífera, Medicavo sativa (MS) quanto às propriedades anti-metanogénicas quando usadas com e sem polietileno glicol (PEG). Todas as plantas significativamente (P < 0.05) influenciaram na matéria orgânica degradada (MOD) e na fibra em detergente neutro degradada (FDND), especialmente a LL, que teve maior influência sobre estes parâmetros, em comparação com as outras plantas que contém tanino LL teve resposta positiva sobre os efeitos de antimethanogênicos e a degradabilidade dos nutrientes foi maior do que a das outras plantas que contém tanino. O segundo estudo (Expt 2) foi definido para avaliar o efeito de diferentes extratos orgânicos a partir do extrato metanólico da planta (EMP) de LL na produção de gás in vitro e caracterizar os constituintes químicos usando cromatografia gasosa acoplada com espectroscopia de massa (GC-MS). Os compostos mais abundantemente encontrados, em termos de percentagens relativas do EMP, foram o éster de trimetil estigmasterol, neofitadina, ácido palmítico, ácido ?-linolênico e 2, 3, 5, 6-Tetra-M-anizil -benzeno. Os efeitos de adições dos diferentes extratos orgânicos, em termos de degradabilidade de nutriente (MOD e NDFD) foram aumentados para todos os extratos. Este estudo explicou que o extrato de hexano a partir do EMP foi eficaz na atividade anti metanogênicas em modificar a degradação ruminal de nutrientes. O objetivo do terceiro estudo (Expt 3) foi estudar o efeito das folhas da planta LL na fermentação ruminal, digestibilidade aparente de nutrientes, balanço de nitrogênio e produção de metano em ovinos Santa Inês. Os animais foram divididos em três grupos em que eles foram alimentados com (i) 88% feno de Tifton-85 (Cynodon dactylon) e 12% de farelo de soja (Grupo controle, n = 4); (ii) 28% feno de Tifton-85 (Cynodon dactylon) e 72% LL mais 20 ml solução contendo 10g/dia/animal de PEG (grupo com PEG - CPEG, n = 6); (iii) 28% feno de Tifton-85 (Cynodon dactylon) e 72% LL mais 20 ml de água destilada (sem PEG-grupo-SPEG, n = 6). A ingestão de nutrientes (matéria seca, matéria orgânica, fibra em detergente ácido, lignina e proteína bruta) foram maiores no grupos CPEG e SPEG em relação ao grupo controle, exceto a ingestão de fibra em detergente neutro. As digestibilidades aparentes e o metabolismo do nitrogênio não apresentaram efeitos significativos entre os tratamentos. No entanto, as emissões de CH4 foram significativamente inferiores nos grupos CPEG e SPEG em comparação com o grupo controle. Além disso, as expressões de populações microbianas de metanogênicas no grupo CPEG apresentaram tendência menor do que nos grupos SPEG e controle. As conclusões mais salientes do presente estudo foram que, usando planta rica em tanino em dietas de pequenos ruminantes, poderemos ter mais benefícios em termos de substituição da fonte de proteína da dieta (segurança alimentar) e redução da produção de CH4 entérico