Energy and protein requirements of crossbred (Holstein x Gyr) yearling bulls and assessment of techniques for measuring methane emissions and energy expenditure of cattle

Abstract

The facts that justify the development of this work are: 1 – There is few information about nutrient requirements of crossbreeds Holstein x Gyr cattle, which is widely used in Brazil; 2 – Pressure to reduce livestock greenhouse gases has prompted greater interest in research to reduce enteric methane emissions from ruminants and consequently in the development and validation of techniques for measuring methane; 3 – Considering that energy expenditure is one of the most element in overall energy budget of cattle, to have measurement techniques that are suited to different production conditions it is important to studies that seek understand energy metabolism and partition of cattle. Therefore, this work was developed from three studies. The first one aimed to estimate the energy and protein requirements of crossbred (Holstein × Gyr) yearling bulls. Twenty-four 10 months old bulls (initial body weight = 184.1 ± 23.36 kg) were used in a comparative slaughter trial. Six bulls were slaughtered at the beginning of the experiment as the reference group to estimate initial empty body weight (EBW) and energy and protein contents of the remaining animals. The remaining bulls were assigned to a completely randomized design with 3 DM intake levels, with 6 replicates. The levels of DM intake were: 1.2% of BW, 1.8% of BW and ad libitum – target orts 5%. Bulls were fed a diet consisting of 59.6% corn silage and 40.4% concentrate on a DM basis. The equation adjusted for the relationship between EBW and BW was EBW= 0.861 ±0.0031 × BW. While the relationship between empty body gain (EBG) and average daily gain (ADG) may be demonstrated using the equation: EBG= 0.934 ±0.0111 × ADG. The net energy requirements for maintenance (NE m ) were 74.8 ±2.89 kcal/EBW 0.75 /d, the metabolizable energy requirements for gain (ME m ) were 120.8 kcal/EBW 0.75 /d. The efficiency of the use of metabolizable energy for maintenance (k m ) was 61.9%. The equation adjusted to estimate the net energy for gain (NE g ) was: NE g =0.049 ±0.0011 ×EBW 0.75 × EBG 0.729±0.0532 . The efficiency of the use of metabolizable energy for gain (k g ) observed was 30.8%. The metabolizable protein requirements for maintenance (MP m ) was 3.05 g/kg BW 0.75 . The equation adjusted to estimate the net protein requirements for gain was: NP g = (87.138 ±65.1378 × EBG) + (40.436 ±21.3640 × NE g ). The efficiency of the use of metabolizable protein for gain (k) observed was 53.6%. We conclude that the estimates of energy and protein requirements were not similar to those estimated from the other assessed systems, thus we recommend using the estimates herein presented to balance diets of crossbred (Holstein × Gyr) growing bulls. The second study aimed to compare short- term measurement (30 min/d for 3 d) face mask system (FM), with SF 6 tracer and respiration chamber (RC) techniques for measuring methane emissions. The same animals, treatments and diet used in the first study were used in the second and third study. Methane emissions were measured first using the SF 6 tracer technique, followed by the FM and RC techniques, respectively. Methane collection was initiated for a period of 24 h, with the procedure repeated on 5 consecutive days. Two weeks later, the FM technique was evaluated and a single 30-min CH 4 measurement was performed each day for 3 d by collecting measurements 6 h after feeding. After 4 weeks, methane emissions from bulls were estimated using indirect open- circuit respiration chambers (RC) by placing bulls in the chambers for two 24 h periods of methane measurements. The concordance correlation coefficient (CCC) for CH 4 emission (g/d) were: 0.82, 0.82 and 0.74 for comparisons of SF 6 vs RC, FM vs RC and FM vs SF 6 , respectively. Methane emission adjusted for differences in DMI did not differ among techniques, averaging 21.5 g/kg DMI (P=0.238). However, the day-to-day (21.3%) and animal-to-animal (13.4%) variation in CH 4 yield was greater for the FM technique as compared to SF 6 (18.8% and 6.8%) and RC (12.9% and 7.5%) techniques. This higher variation has a negative impact on power of an experiment using FM, and it would require more animals (replicates) to detect treatment difference with 80% of power. The third study aimed to assess the O 2 P-HR (oxygen pulse (O 2 P) and heart rate (HR)) technique with respiration chamber (RC) and comparative slaughter (CS) methods for measuring energy expenditure (EE) of cattle. The O 2 P-HR method is an alternative technique for measuring EE, that is based on long-term measurements (24 h periods) of the HR of free-range animals, and on short-term measurement of oxygen pulse (O 2 P; mL of O 2 consumed/heart beat) which is measured by attaching a face mask (FM) to the animal‘s nose shortly (20 min). For both comparison (O 2 P-HR vs RC and O 2 P-HR vs CS), the regression analysis indicated that the slopes were not different from unity and the intercepts were not different from zero (P>0.050), which is an indicative of high accuracy of the O 2 P-HR method. On the other hand, the regression estimates of r 2 were 0.52 for comparison with RC and 0.53 for comparison with CS, indicating a moderate precision of the O 2 P-HR method. The between- animal CV was higher for the O 2 P-HR method (16.6%) when compared to RC (7.7%) or CS (6.3%). The CCC were moderate, 0.70 for O 2 P-HR vs RC and 0.73 for O 2 P-HR vs CS. The O 2 P- HR method generated EE measurements that were comparable with high accuracy and moderate precision to those estimated using RC and CS. The O 2 P-HR method may presented a negative impact on power of an experiment due to its high between-animal coefficient of variation. In the same way, the FM technique for measuring methane emissions and the O 2 P-HR for measuring energy expenditure of cattle are techniques that offer their advantages as compared to the most traditional techniques used. Therefore both evaluated methods should be more investigated to determine how best to deploy the systems to meet specific objectives, also to investigate ways to minimize associated errors.

Os principais fatos que justificam o desenvolvimento deste trabalho são: 1 – Informações sobre exigências nutricionais de raças mestiças, largamente utilizadas no Brasil, são escassas; 2 – Uma pressão mundial para reduzir emissões de gases de efeito estufa, como metano, por ruminantes, aumentou o interesse por pesquisadores em diversas partes do mundo, em pesquisas para redução dessas emissões e consequentemente para o desenvolvimento e validação de técnicas para realizar mensurações precisas e acuradas e 3 – Considerando que o gasto energético (produção de calor) de bovinos é um dos elementos principais no orçamento da energia disponível para esses animais, a avaliação de técnicas que são aplicáveis a diferentes condições de produção são fundamentais para estudos sobre o metabolismo e partição energética de bovinos. Sendo assim, este trabalho foi desenvolvido a partir de três estudos. O primeiro foi estimar as exigências nutricionais de energia e proteína de tourinhos mestiços (Holandês × Gir). Vinte e quatro tourinhos de 10 meses de idade com peso inicial de 184.1 ± 23.36 kg (média ± desvio padrão) foram utilizados em um experimento de abate comparativo. Seis animais foram abatidos no início do experimento para determinação do peso de corpo vazio (PCVZ) dos animais e também o conteúdo inicial de proteína e energia no PCVZ dos mesmos. Os outros 18 animais foram distribuídos em um delineamento inteiramente casualizado. Os tratamentos foram 3 níveis de consumo de matéria seca (MS): 1,2% do PV, 1,8% do PV e ad libitum. Os tourinhos foram alimentados com uma dieta constituída por 59,6% de silagem de milho e 40,4% de concentrado, com base na MS. A relação encontrada entre PCVZ e PV demonstrou que o PCVZ corresponde a 86,1 ±0,31 % do PV dos animais, enquanto que a relação encontrada entre ganho de corpo vazio (GPCVZ) e ganho médio diário (GMD) demonstrou que o GPCVZ corresponde a 93,4 ±1,11 % do GMD dos animais. As exigências de energia líquida e metabolizável para mantença (EL m e EM m ) observada neste estudo foi 74.8 ±2.89 kcal/PCVZ 0.75 /d e 120.8 kcal/PCVZ 0.75 /d, respectivamente. A eficiência do uso da energia metabolizável para mantença (k m ) observada foi de 61,9%. A equação ajustada para estimar a exigência de energia líquida para ganho (EL g ) foi: EL g = 0.049 ±0.0011 ×PCVZ 0.75 × GPCVZ 0.729±0.0532 . A eficiência do uso da energia metabolizável para ganho (k g ) observado foi de 30,8%. A exigência de proteína metabolizável para mantença (PM m ) detectada neste estudo foi de 3.05 g/kg PV 0.75 . A equação ajustada para estimar as exigências de proteína líquida para ganho (PL g ) foi: PL g = (87.138 ±65.1378 × GPCVZ) + (40.436 ±21.3640 × EL g ). A eficiência do uso da proteína metabolizável para ganho (k) foi de 53,6%. Comparando as estimativas de exigências geradas neste estudo com as estimativas segundo dois diferentes sistemas de exigências nutricionais de bovinos, um que utilizou animais de raças europeias de corte como banco e outro que utilizou raças mestiças de corte (Zebu × Bos taurus) como banco de dados para gerar seus modelos, verificamos uma pequena variação nas estimativas e recomendamos o uso das exigências apresentadas neste trabalho para balancear dietas de tourinhos mestiços (Holandês × Gir). O segundo estudo teve como objetivo comparar a técnica da máscara facial (MF) para mensuração da emissão de metano por bovinos com as técnicas mais largamente e tradicionalmente utilizadas para mensuração de metano entérico: a técnica do gás traçador SF 6 e câmaras respirométricas (CR). Os mesmos animais, tratamentos e dietas que foram utilizados no estudo de exigências foram utilizados neste estudo e no estudo que será descrito posteriormente a esse. As emissões de metano foram mensuradas primeiramente utilizando a técnica do SF 6 , posteriormente a técnica da máscara facial e finalmente as câmaras respirométricas, de forma não simultânea e sim consecutiva. A técnica do SF 6 foi realizada por 5 dias consecutivos, 2 semanas depois a técnica da máscara fácil foi conduzida realizando uma única medição de 30 minutos por dia, por 3 dias, para cada animal. As mensurações foram realizadas após 6 horas à alimentação dos tourinhos. Após 4 semanas, os animais foram avaliados nas câmaras respirométricas por 2 dias consecutivos. As emissões de metano (g/d) foram altamente concordantes entre as técnicas avaliadas, com coeficientes de correlação e concordância de ordem de 0,82, 0,82 e 0,74 para as comparações entre SF 6 vs CR, MF vs CR e MF vs SF 6 , respectivamente. Quando as emissões de metano foram ajustadas para o consumo de matéria seca (CMS; g/kg CMS), as técnicas não diferiram entre si (P=0,238). No entanto, a técnica da máscara facial apresentou maiores coeficientes de variação entre dias (21,3%) e entre animais (13,4%) em rendimento de metano (g/kg CMS) comparada a técnica do SF6 (18,8% e 6,8%) e CR (12,9% e 7,5%). A técnica da máscara facial gerou resultados de produção de metano que foram comparáveis com os resultados gerados pela técnica do SF 6 e CR, no entanto devido à sua alta variação, pode apresentar limitações quando o número de replicatas (animais) por tratamentos é baixo levando a uma diminuição do poder do experimento em detectar diferenças entre tratamentos. O terceiro estudo objetivou comparar a técnica baseada no pulso de oxigênio (O 2 ) e batimentos cardíacos (O 2 P-BC) para estimar o gasto energético dos animais com as técnicas do abate comparativo (AC) e câmara respirométrias (CR). A técnica O 2 P-BC consiste em mensurar o consumo de O 2 por períodos curtos de tempo (30 min/d) e mensurar os batimentos cardíacos por períodos de 24 horas. Para as comparações entre O 2 P-BC vs AC e O 2 P-BC vs CR as análises de regressão linear indicaram que os coeficientes angulares não foram diferente de 1 e que os interceptos não foram diferentes de 0 (P>0,050), o que são indicativos de uma alta acurácia do método O 2 P-BC. Por outro lado, os coeficientes de determinação para as duas comparações, r 2 , foi 0,52 e 0,53 entre O 2 P-BC vs AC e O 2 P-BC vs CR, respectivamente, indicando uma moderada precisão do método O 2 P-BC. O método O 2 P-BC apresentou maior coeficiente de variação (CV) entre animais (16,6%) quando comparado com CR (7,7%) e AB (6,3%). Os coeficientes de correlação e concordância foram moderados para ambas comparações: 0,70 para O 2 P-BC vs CR e 0,73 para O 2 P-BC vs AC. O método O 2 P-BC gerou mensurações de gasto energético que foram comparáveis àqueles mensurados utilizando CR e AC, com alta acurácia e moderada precisão. O método O 2 P-BC pode apresentar um impacto negativo no poder de um experimento para detectar diferenças de tratamentos devido ao seu maior CV. Igualmente, a técnica da máscara facial para mensurar metano entérico e o método O 2 P-BC para estimar gasto energético de bovinos, são técnicas alternativas que oferecem suas vantagens em relação às mais tradicionais utilizadas para os objetivos citados. Devido a isso, ambas devem sofrer avaliações mais aprofundadas para determinar a melhor maneira para atender objetivos específicos e minimizar erros relacionados às técnicas em questão.