title: Approaches to increase digestibility of Bangladesh ruminant feed resources in order to mitigate enteric methane production
Creators: name: Bashar, Muhammad Khairul
Publisher: name: Universität Hohenheim
Year: 2024
Subjects: subject: 590

description: Multiple analyses have shown that the rising human population, urbanization, and consumer preferences affect the demand for livestock products in developing countries. Concurrently, human population and urbanisation growth are reducing the likelihood of newly cultivated land producing feeds or restoring damaged pastures. Using low-quality roughage more efficiently is an option, but such roughages have drawbacks, including high structural carbohydrate and low nitrogen contents, which lead to poor palatability and nutrient utilisation including emission of methane (CH4) that is harmful to the environment and a loss of energy to the animal. Using commonly accessible legumes and tree foliage could be a possibility to address the need for N and CH4 mitigation due to their high crude protein and secondary compound contents. In order to evaluate the potential of specific combinations of roughages, concentrates, and other feeds, it is necessary to determine the feeding values, in vitro ruminal fermentation, and CH4 production of single feeds, as well as the promising interaction (associative) effects between single feeds when combinded in a ration. This may allow for formulating a better balanced total mixed ration (TMR) for ruminants, which was the main goal of the present doctoral study. Eighteen feedstuffs from Bangladesh were chosen, including roughages such as crop residues (rice straw, urea molasses treated straw and maize stover), silages (Napier silage and Maize silage), common grasses (German grass, Para grass and Napier grass) and leguminous fodder (Ipil-ipil, Glicidia, Alfalfa hay and Moringa tops) and concentrates (crushed wheat, crushed maize, Wheat bran, Kashari bran, and Rice bran). In Study 1, the single feeds were characterized by comprehensive chemical analysis and in vitro production of total gas and methane using the Hohenheim gas test. Based on the results of Study 1, rice straw, German grass, Napier silage, and maize silage were used in Study 2 and incubated in vitro alone or after substitution by Ipil-ipil and Gliricidia at levels of 10%, 20%, 30%, and 40%, respectively. In Study 3, mixtures of roughages and leguminous fodder (rice straw + 40% Ipil-ipil, German grass + 10% Ipil-ipil, Napier silage + 30% Ipil ipil, and maize silage + 30% Ipil-ipil) were combined with single concentrates in order to identify the most promising mixtures in regard to digestibility and methane production. Eventually, 24 TMR were formulated using six for each type of roughage in Study 4. These TMR were comprised of 60% of the same combination of roughage as used in Study 3 and 40% of various combinations of concentrates including TMR-1 (60% rice bran + 10% wheat bran + 30% kashari bran), TMR-2 (30% rice bran + 10% wheat bran + 60% kashari bran), TMR-3 (10% rice bran + 60% wheat bran + 30% kashari bran), TMR-4 (10% rice bran + 30% wheat bran + 60% kashari bran), TMR-5 (60% rice bran + 30% wheat bran + 10 kashari bran), and TMR-6 (30% rice bran + 60% wheat bran + 10% kashari bran) in order to identify suitable TMR for maximising ruminal fermentation and reducing the CH4 production in vitro. In all studies, the total gas production (GP), digestibility of organic matter (dOM), metabolisable energy (ME), and net energy for lactation (NEL) were determined after incubating 200 mg of feed with a rumen fluid-buffer solution for 72 hours. In addition, the CH4 concentration in the produced gas was measured after incubating 120 mg of feed for 24 hours. Measured values of the mixed feed were compared to estimated values, where the estimated values were weighted means of the values of the individual feeds, to determine the associative effects between the feed ingredients (Study 2 and Study 4). In Study 1, the concentration of acid detergent fibre (ADF), neutral detergent fibre (NDF), and acid detergent lignin (ADL) was the lowest in leguminous fodder while the crude protein (CP) concentration was the hightest, followed by the common grasses and the silages. The crop residues showed the lowest CP and the highest cell wall fraction concentrations. The dOM, ME, and NEL of crushed wheat and crushed maize were significantly higher (p&lt;0.05) than those of other feedstuffs. The same differences were found (p&lt;0.05) for CH4 concentration (% of GP) and CH4 production (L CH4/kg dOM). The dOM and ME of German grass and Ipil-ipil were higher (p&lt;0.05), whereas the CH4 concentration and CH4 production were lower compared to that of crop residues and other common grasses. The CH4 production of single feeds decreased with increasing concentrations of CP, ADF, and ADL, whereas it increased with NDF concentration. These findings enabled development of more balanced diets for ruminants with the aim of improved digestibility and reduced CH4 emission while making use of widely available feed resources in Bangladesh. Study 2 aimed to evaluate the in vitro ruminal fermentation, CH4 production, and associative effects between low-quality roughages and CP supplements. The gas production after 24 hours (GP24) and rumen fermentation rate increased (p&lt;0.05) with increasing addition of Ipil-ipil to rice straw. It also resulted in a gradual increase of dOM and ME (p&lt;0.05) of the mixture, reaching maximum values (59.1% and 7.60 MJ ME/kg DM) and maximum reductions in CH4 concentration and CH4/dOM (6.9% and 11.7%) compared to the control with Ipil-ipil addition at 40% of DM. When Ipil-ipil was added at 30% to Napier silage, the same trend was observed for dOM and ME (56.5%, and 7.55 MJ ME/kg DM) and CH4 concentration and CH4/dOM (5.3% and 13.3%). Ipil-ipil did not significantly interact with high quality roughages such as German grass and maize silage. Increasing the addition of Gliricidia to the roughages in Study 2 led to a decrease in GP24, dOM, ME, and CH4 production. The highest levels of the associative effects (p&lt;0.05) were seen when 40% Ipil-ipil was added to rice straw and 30% was added to Napier silage. In conclusion, adding Ipil-ipil to low-quality roughages is superior to Gliricidia and showed promising results, with the ranking as follows: rice straw + 40% Ipil-ipil &gt; Napier silage + 30% Ipil-ipil &gt; maize silage + 30% Ipil-ipil &gt; German gras + 10% Ipil-ipil. Study 3 and Study 4 had the overarching purpose to determine which combination of single concentrates and combinations of concentrates with roughage produced the best mixed feed in terms of rumen fermentation, CH4 reduction potential, and associative effect. The CP and non-stach carbohydrate contents of the Ipil-ipil-based mixed feed was enhanced by adding Wheat bran and Kashari bran as single concentrates, which had a favourable effect on rumen fermentation and gas production but had the opposite effect on CH4 production when compared to the addition of Rice bran. In Study 4, TMR were formulated using roughages and Ipil-ipil and addition of Wheat bran, Kashari bran, and Rice bran in various combinations. The TMR based on German grass and maize silage with specific bran combinations showed significant reductions in in vitro CH4 production, CH4 concentration, and CH4/dOM while maximising GP, dOM, ME, and the associative effects. To conclude, the results of chemical analyses and in vitro fermentation studies showed that specific combinations of roughages, protein feeds, and by-products available in Bangladesh have the potential to formulate rations for cattle that help making livestock production more sustainable. The results may be also relevant for other developing nations. It is suggested to verify the results of the present project by animal trials at local conditions.
description: Zahlreiche Auswertungen haben gezeigt, dass die global wachsende Bevölkerung, der Wohlstand und die Verstädterung direkte Auswirkungen auf die Nachfrage nach tierischen Erzeugnissen in Entwicklungsländern haben. Sowohl die Bevölkerung als auch die zunehmende Verstädterung verringern die Wahrscheinlichkeit, dass neu bewirtschaftete Flächen Futtermittel liefern oder degradierte Weideflächen wiederhergestellt werden. Grobfutter minderer Qualität effizienter zu nutzen ist eine Option, den Futterbedarf zu decken. Allerdings haben viele Grobfutter Nachteile, wie z. B. einen hohen Gehalt an Strukturkohlenhydraten und wenig Stickstoff, was zu einer geringeren Schmackhaftigkeit und Nährstoffverwertung sowie zu höheren Emissionen von Methan (CH4) führt. Dies schadet der Umwelt und verringert die Energieeffizienz der Tiere. Üblicherweise verfügbare Leguminosen und Baumlaub könnten aufgrund ihres hohen Gehalts an Protein und sekundären Inhaltsstoffen eine Möglichkeit sein, den Bedarf an Stickstoff zu decken und CH4-Emissionen zu verringern. Um das Potential von Kombinationen von Grobfutter, Konzentraten und anderern Futtermitteln zu bewerten, müssen Futterwertkennzahlen wie in vitro- Pansenfermentation und die CH4-Produktion von Einzelfuttermittel sowie die vielversprechenden Wechselwirkungen (assoziative Effekte) von Einzelfuttermittel in Mischungen bestimmt werden. Dies könnte es ermöglichen, eine ausgewogenere Totale Mischration (TMR) für Wiederkäuer zu formulieren, was das Hauptziel der vorliegenden Doktorarbeit war. Achtzehn Futtermittel aus Bangladesch wurden ausgewählt. Dies schloss Grobfutter wie Ernterückstände (Reisstroh, Maisstroh und mit Harnstoffmelasse behandeltes Stroh), Silagen (Napier-Silage und Mais-Silage), Gräser (German-Gras, Para-Gras und Napier-Gras) und Leguminosen (Ipil-ipil, Glicidia, Luzerne-Heu und Moringa-Spitzen) sowie Konzentrate und Koppelprodukte (Weizenschrot, Maisschrot, Weizenkleie, Kashari-Kleie und Reiskleie) ein. In Studie 1 wurden die Einzelfuttermittel durch umfassende chemische Analysen und die in vitro- Gasbildung mit dem Hohenheimer Futterwerttest charakterisiert. Basierend auf den Ergebnissen von Studie 1 wurden in Studie 2 Reisstroh, German-Gras, Napier-Silage und Mais-Silage ausgewählt und einzeln oder mit im Austausch zu 10 %, 20 %, 30 % bzw. 40 % gegen Ipil-ipil und Gliricidia in vitro inkubiert. In Studie 3 wurden Mischungen aus Grobfutter und Leguminosen (Reisstroh + 40 % Ipil-ipil, German-Gras + 10 % Ipil-ipil, Napier-Silage + 30 % Ipil-ipil und Mais- Silage + 30 % Ipil-ipil) jeweils mit einzelnen Konzentraten kombiniert, um die vielversprechendsten Mischungen hinsichtlich Verdaulichkeit und CH4-Produktion zu identifizieren. Schließlich wurden in Studie 4 24 TMR – jeweils 6 für jedes Grobfutter – formuliert. Diese TMR bestanden zu 60 % aus der gleichen Kombination von Grobfutter wie in Studie 3 und zu 40 % aus verschiedenen Kombinationen von Konzentratfutter, einschließlich TMR-1 (60 % Reiskleie + 10 % Weizenkleie + 30 % Kashari-Kleie), TMR-2 (30 % Reiskleie + 10 % Weizenkleie + 60 % Kashari-Kleie), TMR-3 (10 % Reiskleie + 60 % Weizenkleie + 30 % Kashari-Kleie), TMR-4 (10 % Reiskleie + 30 % Weizenkleie + 60 % Kashari-Kleie), TMR-5 (60 % Reiskleie + 30 % Weizenkleie + 10 % Kashari-Kleie) und TMR-6 (30 % Reiskleie + 60 % Weizenkleie + 10 % Kashari-Kleie). Dies hatte das Ziel, geeignete TMR für die Maximierung der Pansenfermentation und die Reduktion der CH4-Produktion in vitro zu ermitteln. In allen Studien wurde die Gesamtgasproduktion (GP), die Verdaulichkeit der organischen Substanz (dOM), die Umsetzbare Energie (ME) und die Netto-Energie-Laktation (NEL) nach 72-stündiger Inkubation von 200 mg mit Pansenflüssigkeit und Pufferlösung bestimmt. Außerdem wurde die CH4- Konzentration im produzierten Gas gemessen, nachdem 120 mg Futter 24 Stunden inkubiert wurden. Die gemessenen Werte der Mischrationen wurden mit geschätzten Werten verglichen, wobei die geschätzten Werte gewichtete Mittelwerte der Daten der Einzelfuttermittel waren, um die Wechselwirkungen zwischen den Futtermitteln zu bestimmen (Studie 2 und Studie 4). Den Ergebnissen von Studie 1 zufolge war die Konzentration an Säure-Detergentien-Faser (ADF), Neutral-Detergentien-Faser (NDF) und Säure-Detergentien-Lignin (ADL) bei Leguminosen am niedrigsten, wohingegen die Leguminosen die höchste Konzentration an Rohprotein (XP) aufwiesen, gefolgt von den Gräsern und den Silagen. Die Ernterückstände wiesen den niedrigsten und die höchsten Konzentrationen an XP bzw. Zellwandfraktionen auf. Von geschrotetem Weizen und Mais waren dOM, ME und NEL signifikant (p&lt;0,05) höher als bei den anderen Futtermitteln. Die gleichen Unterschiede wurden für die CH4-Konzentration (% des GP) und die CH4-Produktion je kg dOM festgestellt (p&lt;0,05). Die dOM und ME von German-Gras und Ipil-ipil waren höher (p&lt;0,05), wohingegen die CH4-Konzentration und die CH4-Bildung im Vergleich zu den Ernterückständen und anderen Gräsern niedriger waren. Die CH4-Bildung von Einzelfuttermitteln nahm mit steigender Konzentration an XP, ADF und ADL ab, während sie mit der Konzentration an NDF und vermehrter GP zunahm. In Studie 2 wurde die in vitro-Pansenfermentation, CH4-Reduktion und die Wechselwirkungen zwischen minderqualitativen Grobfuttermitteln und Proteinsupplementen untersucht. Die Gasbildung nach 24 Stunden (GP24) und die Pansenfermentationsrate stiegen (p&lt;0,05) mit zunehmender Zugabe von Ipil-ipil zu Reisstroh. Dies führte zudem zu einem Anstieg von dOM und ME (p&lt;0,05) in der Mischung und erreichte Werte von bis zu 59,1% bzw. 7,60 MJ ME/kg TM und eine maximale Reduzierungen der CH4-Konzentration und dem CH4/dOM-Verhältnis (6,89% bzw. 11,7%) im Vergleich zur Kontrolle, wenn Ipil-ipil bei 40% TM zugesetzt wurde. Wenn Ipil-ipil zu 30 % zu Napier-Silage zugegeben wurde, wurde derselbe Trend für dOM und ME (56,5 % bzw. 7,55 MJ ME/kg TM) und die CH4-Konzentration und das CH4/dOM-Verhältnis (5,32 % bzw. 13,3 %) beobachtet. Ipil-ipil zeigte keine signifikanten Interaktionen mit hochwertigen Grobfuttermitteln wie Deutschem Weidelgras und Mais-Silage. Eine Erhöhung des Anteils von Gliricidia bei den Grobfuttermitteln führte zu einem Rückgang von GP24, dOM und ME sowie der CH4-Produktion. Die deutlichste Wechselwirkung (p&lt;0,05) wurde festgestellt, wenn 40% Ipil-ipil zu Reisstroh und 30% zu Napier-Silage gegeben wurden. Zusammenfassend wurde festgestellt, dass die Zugabe von Ipil-ipil zu minderqualitativen Grobfuttermitteln im Vergleich zu Gliricidia vielversprechende Ergebnisse zeigte, wobei die Rangfolge wie folgt war: Reisstroh + 40% &gt; Napier-Silage + 30% Ipil-ipil &gt; Mais-Silage + 30% Ipil-ipil &gt; German-Gras + 10% Ipil-ipil. Sowohl Studie 3 als auch Studie 4 hatten das übergeordnete Ziel, zu bestimmen, welche Kombination von einzelnen Konzentraten mit Grobfutter das beste Mischfutter hinsichtlich Pansenfermentation, CH4-Reduktionspotenzial und Wechselwirkungen ergab. Die Konzentrationen an XP und Nicht-Stärke-Polysacchariden von auf Ipil-ipil basierendem Mischfutter wurde durch die Zugabe von Weizenkleie und Kashari-Kleie erhöht, was vorteilhafte Auswirkungen auf die Pansenfermentation und die Gasproduktion hatte, aber abträgliche Konsequenzen für die CH4-Produktion im Vergleich zur Zugabe von Reiskleie. In Studie 4 wurden TMR mit Ipil-ipil und der Zugabe von Weizenkleie, Kashari-Kleie und Reis-Kleie in verschiedenen Kombinationen verwendet. Die TMR, die aus German-Gras oder Mais-Silage mit bestimmten Kombinationen aus Kleien bestanden, zeigten eine signifikante Verringerung der in vitro-CH4-Bildung, der CH4-Konzentration und des CH4/dOM-Verhältnisses bei gleichzeitiger Maximierung von GP, dOM, ME sowie der Wechselwirkung. Die Ergebnisse der Studien zu chemischen Analysen der Inhaltsstoffe und der in vitro- Fermentation zeigten, dass bestimmte Kombinationen aus in Bangladesch verfügbaren Grobfutter- und Proteinfuttermitteln sowie Nebenprodukten des Lebensmittelsektors die Möglichkeit bieten, Rationen für Wiederkäuer zu formulieren, die zu einer nachhaltigeren Tierhaltung beitragen. Diese Erkenntnisse könnten auch für andere Entwicklungländer von Bedeutung sein. Es wird empfohlen, die Ergebnisse des vorliegenden Projekts unter den jeweiligen lokalen Bedingungen in Tierversuchen zu verifizieren.