Auswirkungen auf den Kohlenhydratstoffwechsel

Im Kohlenhydratstoffwechsel entstehen Essig-, Propion-, n-Butter-, n-Valerian- und Hexansäure. Diese wurden während der RuSiTec-Versuche mittels Gaschroma-tographie bestimmt. An dieser Stelle wird auch die Produktion aller flüchtigen Fett-säuren diskutiert.

Durch Hinzufügen von Clostridien in die Fermenter wurde der Verlauf der Produktion der Summe der flüchtigen Fettsäuren, der n-Valerian- und der Hexansäure nicht be-einflusst.

Der Anteil von Essigsäure, Propionsäure und Buttersäure an den flüchtigen Fett-säuren, die im Pansen produziert werden, beträgt mehr als 95 % (PFEFFER 1987).

Dabei betragen die physiologischen molaren Anteile der einzelnen Fettsäure-fraktionen 50 - 65 Mol% Essigsäure, 20 - 25 Mol% Propionsäure und 10 - 20 Mol%

Buttersäure (DIRKSEN 1990b). Verändert sich die Fütterung nicht, bleiben auch diese Verhältnisse konstant (OWENS u. GOETSCH 1988), wodurch Veränderungen beispielsweise auf mangelhafte Qualität des Futters zurückzuführen sind. Betrachtet man den Verlauf der Produktion von Essig-, Butter- und Propionsäure im RuSiTec, dann war ein Anstieg zwischen Tag 10 und 20 zu beobachten, der zunächst auf die Silagezulage zurückzuführen war (LUMPP 2011). Vergleicht man aber die Fettsäureproduktion bei alleiniger Zulage von Silage (LUMPP 2011) mit der Produktion bei einer kombinierten Zulage aus Silage und Clostridien, dann fällt auf, dass die Essigsäureproduktion bei der Kombinationsgabe bei sämtlichen Zulagen bis zu 13 % niedriger lag als bei alleiniger Silagegabe. Es besteht der Verdacht, dass die Clostridien cellulolytische Bakterien in ihrer Stoffwechselaktivität beeinträchtigen. Die Produktionsrate von n-Buttersäure zeigte allerdings keine gerichtete Veränderung beim Vergleich zwischen der alleinigen Silagegabe (LUMPP 2011) und der Kombination aus Silage- und Clostridienzulage.

Die flüchtigen Fettsäuren können aus Aminosäuren aufgebaut werden, die von verschiedenen Bakterienarten metabolisiert werden. Durch verstärkte Proteolyse in den Schadgrassilagen, beinhalten diese einen höheren Anteil freier Aminosäuren (GRESNER 2011). Es stellt sich die Frage, welche davon durch die Clostridien genutzt werden. MEAD et al. (1971) und BARKER (1981) beschreiben die Nutzung von Glutamat, Serin, Glycin, Arginin und Aspartat während des Wachstums von C. botulinum Typ C, wobei MEAD et al. (1971) Serin und Arginin als die wichtigsten Aminosäuren erachten. Glutamat kann zu Essigsäure, Buttersäure und Ammoniak (SIROTNAK et al. 1953; SOMMERVILLE u. PEEL 1967), Serin, Arginin und Aspartat zu Essigsäure, Propionsäure, Buttersäure und Ammoniak fermentiert werden (SIROTNAK et al. 1953; LEWIS u. ELSDEN 1955). Diese Angaben stimmen mit dem Fermentationsmuster von C. botulinum Typ C überein (WERNER 1972; WERNER et al. 1973).

FUCHS u. BONDE (1957) beschreiben, dass C. perfringens Alanin, Arginin, Aspartat, Cystin, Glutamat, Histidin, Isoleucin, Leucin, Phenylalanin, Threonin, Tryptophan, Tyrosin und Valin zum Wachstum benötigt. Für ein maximales Wachstum sind auch noch Lysin, Glycin und Serin nötig. Bei der Fermentation dieser Aminosäuren entstehen im Wesentlichen Essig-, Propion-, n-Butter-, n-Valerian-, i-Butter- und i-Valeriansäure (SIROTNAK et al. 1953; LEWIS 1955; LEWIS u. ELSDEN 1955;

OTAGAKI et al. 1955; DEHORITY et al. 1958; BLADEN et al. 1961a;

SOMMERVILLE u. PEEL 1967). Bei Zulage von C. perfringens könnte die Produktion dieser Fettsäuren ansteigen. Beschrieben wurde allerdings nur die Produktion von Essig-, Butter- und wenig Propionsäure (WERNER 1972; SEIFERT et al. 1981).

Da nicht bekannt ist, ob die eingesetzten Clostridien proteolytische Aktivität besitzen, ist der Gehalt an freien Aminosäuren, die ohne vorherige Proteolyse genutzt werden können, in den Silagen besonders wichtig. Zum einen verbessern sich die Wachs-tumsbedingungen für die Clostridien, wenn ihnen die benötigten Aminosäuren zur Verfügung stehen, andererseits könnten durch den Abbau typische Fermentations-muster entstehen. Die Gehalte an freien Aminosäuren sind in Tab. 9.5 aufgeführt. Es fällt auf, dass S-05 in der Regel die höchsten Gehalte an den einzelnen freien

Aminosäuren aufwies, gefolgt von S-11. K-01 enthielt die geringsten Anteile (vergl.

Tab. 9.5), ist jedoch auch die Silage, die der geringsten Proteolyse unterworfen war.

Einzige Ausnahme bildete Arginin; hier war die Reihenfolge umgekehrt: K-01 hatte die größten Gehalte gefolgt von S-11 und S-05. Die freien Aminosäuregehalte von Serin konnten mit der eingesetzten Methode nicht bestimmt werden. Generell waren die Wachstumsbedingungen für Clostridien also besser, wenn Schadgrassilagen eingesetzt wurden. Diese Vermutung wird durch das Ergebnis der PCR-Analysen gestützt. In den Fermentern, in denen Schadgrassilage zugelegt wurde, erfolgte ein Nachweis über einen längeren Zeitraum als bei Einsatz der Kontrollsilage (vergl.

Kap. 4.5).

Veränderungen der flüchtigen Fettsäuren, die aus den von den Clostridien bevorzugten Aminosäuren entstehen, konnten nicht auf die Zulage der Clostridien zurückgeführt werden.

Als Ursache für den fehlenden Anstieg der Fettsäuren sind verschiedene Gründe denkbar: zum einen könnten Clostridien ruminale Bakterien unterdrücken, da sie deren Substrate verstoffwechseln. Sie verdrängen also nur Bakterien, die dieselben Produkte herstellen. Die verdrängten Bakterien wären identisch mit denen, die durch die Schadgrassilagen unterdrückt werden: die proteolytischen Bakterien. Andere Populationen werden dominanter und produzieren den Anstieg der Fettsäuren während der Silagezulage. Nach diesem Prinzip wäre auch die Unterdrückung der cellulolytischen Bakterien herzuleiten. Der Ersatz des Heus durch Silage führte in vorherigen Untersuchungen (LUMPP 2011) zu einem Anstieg der Essigsäure-produktion, dem Produkt des cellulolytischen Abbaus (KENEALY et al. 1995; PAGGI et al. 2004). Diese Förderung der Cellulolyten könnte partiell durch die Clostridien aufgehoben worden sein.

Andererseits könnten die Gehalte an Aminosäuren nicht ausreichen, um die Fettsäureproduktion zu steigern, oder gerade die Aminosäuren von den Clostridien verstoffwechselt werden, aus denen Ammoniak und Essigsäure und nicht i-Säuren entstehen. Hierfür spricht, dass Essigsäure das Hauptprodukt bei der Fermentation der Aminosäuren wäre. Der Essigsäureanteil an der gesamten Produktion der flüchtigen Fettsäuren ist auch bei ungestörter Fermentation am höchsten. Eine Verschiebung der Bakterienpopulation könnte nur zu einer geringgradig höheren Produktion führen, die keine deutliche Veränderung hervorrufen würde.

Es wäre aber auch denkbar, dass die Clostridien die genannten Fettsäuren produ-zieren, deren Anteil aber an der Gesamtprodukton der entsprechenden Fettsäure derart gering ist, dass kein Unterschied deutlich wird. Hierfür spricht, dass aus den freien Aminosäuren nur etwa 10 % der flüchtigen Fettsäuren entstehen können (s.

Tab. 5.2). Der Großteil der flüchtigen Fettsäuren entsteht beim Abbau von Kohlen-hydraten und Cellulose. Eine weitere Möglichkeit wäre die Beeinflussung der proteo-lytischen Bakterien bis zum Ende der Silagezulage. Durch deren Unterdrückung ex-pandierten die HAB. Diese tragen in geringerem Maße zur Fettsäureproduktion bei, so dass eine Beeinflussung ihrer Population keine Steigung dieser Parameter brächte (vergl. Kap. 4.6.2).

Tab. 5.2: Prozentualer Vergleich der Bildung aller flüchtigen Fettsäuren in den Fermenterproben mit der Bildung der flüchtigen Fettsäuren, die aus dem Anteil freier Aminosäuren in den Silagen entstehen können aufgrund des molaren Kohlenstoffgehalts (mmol C/24h)

Silage Zulage mmol C/24h mmol C/24h

aus fAS

Prozentualer Anteil der fAS (%)

C. perfringens, 1 mL 110 12,3 11,2

C. perfringens, 2 mL 118 12,3 10,4

C. botulinum, 1 mL 105 12,3 11,8

K-01

C. botulinum, 2 mL 109 12,3 11,3

C. perfringens, 1 mL 122 16,3 13,3

C. perfringens, 2 mL 126 16,3 13,0

C. botulinum, 1 mL 125 16,3 13,1

S-11

C. botulinum, 2 mL 123 16,3 13,3

C. perfringens, 1 mL 120 16,6 13,8

C. perfringens, 2 mL 131 16,6 12,7

C. botulinum, 1 mL 119 16,6 13,8

S-05

C. botulinum, 2 mL 121 16,6 13,8

Die Gasproduktion war über den gesamten Versuchsablauf stabil. Zwischen den Silagen bestand kein Unterschied. Ein leichter Anstieg war während der Silage-zulagephase bei allen Clostridienzulagen zu beobachten (zwischen 5 und 16 %); die Clostridien selbst hatten keinen Einfluss auf die Gasproduktion. Auch die Methankon-zentration wurde nur durch die Silagen beeinflusst. Nach der Kontrollphase stiegen die Werte an und sanken erst in der Erholungsphase wieder ab. S-05 verursachte einen bis zu 20 % höheren Anstieg der Methanentwicklung als K-01 und S-11. Auch bei LUMPP (2011) wurde bei Einsatz der Silagen ein Anstieg der Gas- und Methan-konzentration beobachtet. GAST (2010) beschrieb eine Zunahme der Protozoenzahl bei Ersatz von Heu durch Silage. Diese erhöhte Anzahl an Einzellern könnte eine gesteigerte Methankonzentration erklären, da Protozoen Symbiosen mit methano-genen Bakterien bilden, denen sie Nährstoffe liefern (CZERKAWSKI 1985).

Bei Vergleich der kombinierten Silage und Clostridienzulage mit der Silagezulage (s. LUMPP 2011) waren Gas- und Methankonzentration allerdings geringgradig niedriger wenn Clostridien mit Silage zusammen zugelegt wurden. Diese Beob-achtung würde die Theorie stützen, dass Protozoen durch Clostridien absterben könnten, da sich auf der Oberfläche von Protozoen methanogene Bakterien befin-den, die an der Gas- und Methanproduktion beteiligt sind (VOGELS et al. 1980, vergl. Kap. 2.2.2). Dieses Absterben würde partiell die Erhöhung der Protozoenzahl durch die Silagen aufheben.