Use of 15 N to estimate microbial contamination and protein degradation of concentrate feeds and the effect of decreasing dietary crude protein on methane emission and nitrogen losses in Nellore bulls

Abstract

This study was developed based on two experiments conducted on the feedlot and Animal Laboratory of Animal Science Department of Universidade Federal de Viçosa, and the results are shown in two chapters. The aim of the first study was to use 15 N to estimate the microbial contamination (MC) of crude protein (CP) fractions that were soluble (a) as well as insoluble but potentially degradable (b), and the digestion rate of fraction b (kd), as well as to determine the incubation time necessary to estimate the rumen degradable protein (RDP) of energy and protein feeds when considering two outflow rates (0.05 h -1 and 0.08 h -1 ). Twelve types of feeds were evaluated, with six energy concentrates: wheat bran, rice meal, ground corn, ground sorghum, ground corn cob, and soybean hulls; and six protein concentrates: cottonseed meal 38% CP, soybean meal, ground bean, peanut meal, sunflower meal, and corn gluten meal. The feeds were divided into 4 groups and were incubated in the rumens of 4 crossbred bulls. The feed samples were incubated for 0, 2, 4, 8, 16, 24, 48, and 72 h. To determine the MC of the incubated residues, ruminal bacteria were labeled with 15 N via continuous intraruminal infusion of 15 (NH 4 ) 2 SO 4 . Ruminal digesta were collected for the isolation of bacteria before the first infusion of 15 N during the acclimation period, and after the infusion of 15 N during the collection period. There was no difference (P > 0.05) in the parameters a, b, and kd, corrected and uncorrected, for all feeds that were evaluated. All of the feed tests followed an exponential model of degradation and the model fitted well to the data, except for corn gluten meal, probably because the maximum incubation time that was used (72 h) was not long enough to allow for an accurate estimation of the degradation profile. The cluster analysis (R2 = 0.944) allowed for the grouping of feeds into three different groups according to the necessary incubation time to estimate RDP. The first was formed by the high-starch energy concentrates (15.4 ± 0.46 h), the second by the low-starch energy concentrates (6.8 ± 0.60 h), and the third by the protein concentrates (9.9 ± 0.41) while considering a kp of 0.05h -1 . In conclusion, the microbial contamination was low and non-significant; therefore, correction of ruminal protein degradation is irrelevant with regards to the concentrate that was studied. However, the chemical composition of this feeds resulted in different incubation times to estimate RDP content, and this has to be taken into account in the techniques that are used to determine CP digestibility in the rumen and intestines. The aim of the second experiment was to evaluate whether a reduction in dietary crude protein (CP) content affects animal performance, energy and protein requirements, N losses, and enteric methane emission in finishing Nellore bulls. Twenty-six animals, with an average age of 20 ± 1.0 months and initial body weight (BW) of 296 ± 8.1 kg were used in this experiment. Four animals were used as baseline reference animals and were slaughtered at the beginning of the experiment. Four animals were fed at maintenance level (MAIN), whereas 18 bulls were divided into 3 groups (n = 6 in each group) and were randomly assigned to the treatments consisting of three levels of CP in the diets: 10, 12, and 14% of CP. At the end of the experiment, all animals were slaughtered to evaluate their chemical body composition, energy and protein requirements, and carcass characteristics. A linear effect was observed for dietary CP level on CP intake and digestibility, while greater values were obtained for animals that were fed 14% CP. Nitrogen metabolism was affected by CP levels, where animals that were fed 12 and 14% CP had greater urinary N losses than those that were fed 10% CP. There was no effect of CP level on retained N, animal performance, and carcass characteristics among diets, and there was no effect of CP level on microbial efficiency and CH 4 emissions. Thus, this study showed that for finishing bulls, the level of dietary CP did not interfere with muscle deposition and greenhouse gas emissions. The reduction of CP content in diets does not affect DM intake, animal performance, and carcass characteristics, thereby suggesting that the use of 10% of CP in diets for finishing bulls reduces their environmental impact due to a lower urinary N excretion than 12 and 14% CP-based diets. Animals that were fed 10, 12, and 14% CP diets had emissions equivalent to 3,893; 3,755; and 4,255 g d -1 of CO 2 , respectively, and no difference was observed among diets. Furthermore, methane emission is not affected by CP levels ranging between 10 to 14% which, on average, is 16.3 g kg -1 of DM intake. Our study found that a decreased CP level did not influence animal performance, but it did decrease N losses in manure without affecting methane emissions. However, it is important to highlight that more studies are necessary to confirm these results.

Este trabalho foi desenvolvido baseado em 2 experimentos conduzidos no confinamento experimental do laboratório animal do Departamento de Zootecnia da Universidade Federal de Viçosa, e os resultados são mostrados em dois capítulos. O objetivo do primeiro experimento foi utilizar o 15 N para estimar a contaminação microbiana (CM) das seguintes frações da proteína bruta (PB): fração solúvel (a), insolúvel potencialmente degradável (b) e a taxa de digestão da fração b (kd). Assim como determinar os tempos de incubação necessários para estimar a proteína degradável no rúmen (PDR) de concentrados energéticos e proteicos, considerando duas taxas de passagem (0,05 h -1 e 0,08 h -1 ). Doze alimentos foram avaliados, sendo seis concentrados energéticos (farelo de trigo, farelo de arroz, fubá de milho, sorgo moído, milho desintegrado com palha e sabugo e casca de soja) e seis concentrados proteicos (farelo de algodão 38% PB, farelo de soja, feijão moído, farelo de amendoim, farelo de girassol e farelo de glúten de milho). Os alimentos foram divididos e quatro grupos e incubados no rúmen de quatro touros fistulados. Os alimentos foram incubados por 0, 2, 4, 8, 16, 24, 48 e 72 horas. Para determinar a CM dos resíduos incubados, as bactérias ruminais foram marcadas com 15 N através de infusões ruminais contínuas de 15 (NH 4 ) 2 SO 4 . Digesta ruminal foi coletada para isolamento de bactéria antes da primeira infusão de 15 N, durante o período de adaptação, e após a infusão de 15 N nos períodos de coleta. Não foi observada diferença (P > 0,05) nos parâmetros a, b e kd corrigidos e sem correção para todos os alimentos avaliados. Todos os alimentos seguiram um modelo exponencial de degradação, exceto o glúten de milho. Provavelmente porque o tempo máximo de incubação utilizado (72 horas) não foi longo o suficiente para permitir uma estimativa acurada do perfil de degradação. A análise cluster (R2 = 0.944) permitiu agrupar os alimentos em três diferentes grupos de acordo com o tempo necessário parra estimar a PDR. O primeiro grupo foi formado por concentrados energéticos com alto teor de amido (15.4 ± 0.46 h), o segundo por concentrados energéticos com baixo teor de amido (6.8 ± 0.60 h) e o terceiro por concentrados proteicos (9.9 ± 0.41), considerando taxa de passagem de 0,05 h -1 . Como conclusão, a contaminação microbiana foi baixa e não significativa, assim a correção da degradação proteica torna-se irrelevante para os concentrados utilizados neste estudo. No entanto a composição química dos alimentos resultou em diferentes tempos de incubação para estimar o conteúdo de PDR, e isto precisa ser levado em consideração nas técnicas utilizadas para estimar a digestibilidade ruminal e intestinal da PB. O objetivo do segundo experimento foi avaliar se a redução nos níveis de proteína bruta (PB) da dieta afeta o desempenho animal, exigências de energia e proteína, perdas nitrogenadas e emissão de metano entérico em machos Nelore não castrados na fase de terminação. Vinte e seis animais com idade média de 20 ± 1 mês e peso corporal inicial de 296 ± 8,1 kg foram utilizados neste experimento. Quatro animais foram designados ao grupo referência, sendo abatidos ao início do experimento. Quatro animais foram alimentados a nível de mantença, enquanto dezoito animais foram divididos em três grupos (n = 6 em cada grupo), e foram aleatoriamente designados a tratamentos consistindo de três níveis de PB na dieta: 10, 12 e 14% de PB. Ao final do experimento todos os animais foram abatidos para determinação de sua composição química corporal, exigências de energia e proteína e características de carcaça. Foi observado efeito linear do nível de PB da dieta sobre o consumo e digestibilidade da PB, onde os maiores valores foram obtidos para animais alimentados com 14%PB. O metabolismo do nitrogênio foi afetado pelos níveis de PB, onde animais alimentados com 12 e 14 % PB tiveram maior excreção urinaria de N que aqueles alimentados com 10% PB. Não houve efeito do nível de PB dietético sobre retenção de N, desempenho animal e características de carcaça, e também não foi observado efeito do nível de PB da dieta sobre a eficiência microbiana e emissão de CH 4 . Este estudo mostrou que para bovinos em terminação o nível de PB da dieta não influencia a deposição muscular e a emissão de gases do efeito estufa. A redução do nível de PB das dietas não afetou o consumo de MS, desempenho e características de carcaça, sugerindo que o uso de 10% PB em dietas de terminação reduz o impacto ambiental devido a menor excreção urinária de N que dietas de 12 e 14% PB. Animais alimentados com 10, 12 e 14% de PB nas dietas tiveram emissões de 3.893, 3.755 e 4.255 g/d de equivalente CO 2 respectivamente e não foram observadas diferenças entre as dietas. Além disso a emissão de metano não foi afetada por níveis de PB da dieta variando entre 10 e 14%, sendo em média igual a 16,3 g/kg do consumo de MS. Este estudo mostrou que a redução do nível de PB da dieta não influenciou o desempenho animal e reduziu as perdas nitrogenadas nas fezes e urina sem afetar a emissão de metano. Porém é importante destacar que mais estudos são necessários para confirmar esses resultados.