ISBN 978-3-86345-267-4
Verlag: Deutsche Veterinärmedizinische Gesellschaft Service GmbH 35392 Gießen · Friedrichstraße 17 · Tel. 0641 / 24466 · Fax: 0641 / 25375
E-Mail: info@dvg.de · Internet: www.dvg.de
Friederike von und zur Mühlen Hannover 2015 Einfluss der Mischfutterstruktur auf PWD
Einfluss der Mischfutterstruktur
(Vermahlung / Konfektionierung) auf den Verlauf einer experimentellen Infektion mit E. coli sowie auf
die Überlebensfähigkeit des Erregers im Magen-Darm-Inhalt (in vivo / in vitro) von Absetzferkeln
INAUGURAL-DISSERTATION zur Erlangung des Grades eines - Doctor medicinae veterinariae -
(Dr. med. vet.)
vorgelegt von
Friederike von und zur Mühlen Münster
Hannover 2015
Deutschen Nationalbibliografie;
Detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über http://dnb.ddb.de abrufbar.
1. Auflage 2015
© 2015 by Verlag: Deutsche Veterinärmedizinische Gesellschaft Service GmbH, Gießen
Printed in Germany
ISBN 978-3-86345-267-4
Verlag: DVG Service GmbH Friedrichstraße 17
35392 Gießen 0641/24466 info@dvg.de www.dvg.de
Einfluss der Mischfutterstruktur
(Vermahlung / Konfektionierung) auf den Verlauf einer experimentellen Infektion mit E. coli sowie auf
die Überlebensfähigkeit des Erregers im Magen-Darm-Inhalt ( in vivo / in vitro ) von Absetzferkeln
INAUGURAL - DISSERTATION zur Erlangung des Grades einer Doktorin der Veterinärmedizin - Doctor medicinae veterinariae -
(Dr. med. vet.)
vorgelegt von
Friederike von und zur Mühlen Münster
Hannover 2015
1. Gutachter: Prof. Dr. J. Kamphues
2. Gutachter: Prof. Dr. P. Valentin-Weigand
Tag der mündlichen Prüfung: 22. Mai 2015
Die Förderung des Vorhabens erfolgte aus Mitteln des Bundesministeriums für Ernährung und Landwirtschaft (BMEL) aufgrund eines Beschlusses des deutschen Bundestages. Die Projektträgerschaft hatte die Bundesanstalt für Landwirtschaft und Ernährung (BLE) im Rahmen des Programms zur Innovationsförderung.
Weitere finanzielle Unterstützung wurde dankenswerter Weise durch folgende Unternehmen gewährt: Amandus Kahl GmbH & Co KG (Hamburg), Bühler AG (Uzwil), und Wolking GmbH & Co KG (Vechta).
Für meine Familie
„Alle großen Entdeckungen wurden von Menschen gemacht, bei denen das Gefühl der Vernunft vorauseilte“
unbekannt
68. Tagung der Gesellschaft für Ernährungsphysiologie Göttingen, 18. - 20. März 2014
VON UND ZUR MÜHLEN,F.,S.J.SANDER,J.VERSPOHL u.J.KAMPHUES (2014):
Influence of diet’s structure (grinding intensity/compaction) on the course of an experimental infection with Escherichia coli (F4, LTI, STI, STII) in piglets.
Proc. Soc. Nutr. Physiol. 23, 46
18th Congress of the European Society of Veterinary and Comparative Nutrition Niederlande, Utrecht, 11. - 13. September 2014
VON UND ZUR MÜHLEN,F.,S.J.SANDER,J.VERSPOHL,J.KAMPHUES (2014):
Impact of diet’s physical form (grinding intensity/compaction) on faecal shedding of E. coli (F4, STI, STII, LTI) after an artificial infection of weaned piglets.
Congress Proceedings, P 56
69. Tagung der Gesellschaft für Ernährungsphysiologie Göttingen, 10. - 12. März 2015
VON UND ZUR MÜHLEN, F., S. J. SANDER, J. VERSPOHL u. J. KAMPHUES (2015):
Is stomach passage a barrier against specific Escherichia coli (responsible for post weaning diarrhoea) experimentally applied to weaned piglets? – Results of artificial infection and in-vitro inoculation.
Proc. Soc. Nutr. Physiol. 24, 133
13th International Symposium on Digestive Physiology of Pigs Polen, Kliczków, 19. - 21. Mai 2015
VON UND ZUR MÜHLEN, F., S. J. SANDER, J. VERSPOHL, J. KAMPHUES (2015):
Does the acidification of stomach content affect the survival rate (in vivo/in-vitro) of artificially applied Escherichia coli (F4, STI, STII, LTI)?
Book of Abstracts, p. 89
INHALTSVERZEICHNIS
1 EINLEITUNG ... 15
2 SCHRIFTTUM ... 17
2.1 Mischfutterstruktur und -konfektionierung ... 17
2.1.1 Zerkleinerung von Futterkomponenten / Mischfutter ... 19
2.1.2 Konfektionierung von Mischfutter ... 22
2.2 Ursachen für Durchfallerkrankungen beim Absetzferkel ... 25
2.2.1 Nutritiv bedingte Erkrankungen ... 25
2.2.2 Viral bedingte Erkrankungen... 27
2.2.3 Parasitär bedingte Erkrankungen ... 30
2.2.4 Bakteriell bedingte Erkrankungen ... 31
2.3 Escherichia coli(E. coli) ... 33
2.3.1 Virulenzfaktoren ... 34
2.3.2 Diagnostische Merkmale ... 36
2.3.3 Ödemkrankheit ... 36
2.3.4 Saugferkeldurchfall ... 37
2.3.5 Post Weaning Diarrhoea (PWD) ... 38
2.4 Effekte verschiedener diätetischer Maßnahmen auf den Gastrointestinaltrakt ... 42
2.4.1 Futterstruktur ... 42
2.4.2 Futterzusatzstoffe ... 48
2.4.3 Diätetische Maßnahmen bei E. coli - bedingten Durchfallerkrankungen ... 54
2.5 Ableitung der Aufgabenstellung ... 57
3 MATERIAL UND METHODEN ... 59
3.1 Tiere ... 59
3.2 Haltung ... 61
3.3 Futtermittel ... 62
3.4 Fütterung ... 64
3.5 Futtermitteluntersuchungen ... 65
3.5.1 Rohnährstoffe ... 65
3.5.2 Stärke ... 68
3.5.3 Zucker ... 69
3.5.4 Lysin, Methionin ... 69
3.5.5 Mengen- und Spurenelemente ... 69
3.5.6 Umsetzbare Energie (MJ ME) ... 71
3.5.7 Partikelgrößenverteilung ... 71
3.6 Erfassung der Leistungsdaten ... 73
3.6.1 Allgemeinbefinden ... 73
3.6.2 Futteraufnahme ... 73
3.6.3 Körpermassenentwicklung ... 73
3.7 Kotuntersuchungen ... 74
3.7.1 Kotkonsistenz ... 74
3.7.2 TS-Gehalt im Kot ... 75
3.7.3 pH-Wert im Kot ... 75
3.7.4 Stärkegehalt im Kot ... 75
3.7.5 Elektrolytgehalte im Kot ... 75
3.8 Mikrobiologische Untersuchungen ... 76
3.8.1 Infektionserreger ... 76
3.8.2 Nährböden/Mikrobiologische Techniken ... 76
3.8.3 Probennahme ... 77
3.8.4 Qualitativer Nachweis von E. coli im Kot ... 77
3.8.5 Quantitativer Nachweis von E. coli... 78
3.8.6 Herstellung der Infektionsbouillon und experimentelle Infektion ... 78
3.9 Sektion ... 79
3.9.1 Magen ... 81
3.9.2 Dünndarm ... 83
3.9.3 Chymusanalysen ... 83
3.10 In vitro - Untersuchungen ... 85
3.10.1 Probennahme ... 85
3.10.2 Herstellung der Infektionsbouillon ... 86
3.10.3 Versuchsablauf ... 86
3.11 Statistische Auswertung ... 87
4 ERGEBNISSE ... 89
4.1 Mischfuttermittel ... 89
4.1.1 Chemische Zusammensetzung der Futtermittel ... 89
4.1.2 Partikelgrößenverteilung ... 90
4.2 Leistungsdaten ... 93
4.2.1 Allgemeinbefinden ... 93
4.2.2 Futteraufnahme ... 94
4.2.3 Körpermassenentwicklung ... 96
4.2.4 Futteraufwand ... 98
4.3 Kotparameter ... 99
4.3.1 Konsistenz ... 99
4.3.2 TS-Gehalt ...101
4.3.3 pH-Wert ...103
4.3.4 Stärkegehalt ...103
4.3.5 Natriumgehalt ...104
4.3.6 Kaliumgehalt ...104
4.3.7 Chloridgehalt ...105
4.4 Lebendzellzahlbestimmung von E. coli ...106
4.4.1 In der Infektionsbouillon ...106
4.4.2 Im Kot nach experimenteller oraler Infektion (d20) ...106
4.4.3 Im Magen-Darm-Inhalt nach der Superinfektion am Sektionstag ...109
4.4.4 Im Mageninhalt (in vitro) ...110
4.5 Chymuszusammensetzung ...110
4.5.1 TS-Gehalt im Mageninhalt ...110
4.5.2 pH-Wert im Mageninhalt ...112
4.5.3 Laktatgehalt im Mageninhalt ...112
4.5.4 Chloridgehalt im Mageninhalt ...113
4.5.5 TS-Gehalt im Chymus von Dünndarm und Caecum ...114
4.5.6 pH-Wert im Dünndarmchymus ...115
4.6 Organbefunde ...116
4.6.1 Organmasse ...116
4.6.2 Gesundheit der Magenschleimhaut (Pars nonglandularis) ...118
5 DISKUSSION ... 119
5.1 Kritik der Methode ...119
5.1.1 Genetische Resistenz ...119
5.1.2 Antibiotische Behandlung vor Versuchsbeginn ...121
5.1.3 Experimentelle Infektion ...122
5.1.4 Fütterung zum Zeitpunkt der experimentellen Infektion...123
5.1.5 Erregernachweis im Beobachtungszeitraum ...125
5.1.6 Alter der Ferkel ...126
5.1.7 Mischfutter-Varianten...127
5.2 Leistungsparameter ...128
5.3 Futterstruktur und Verlauf einer experimentellen Infektion mit E. coli ...130
5.3.1 Erregerausscheidung...130
5.3.2 Kotparameter ...132
5.3.3 Gesamtbetrachtung ...135
5.4 Futterstruktur und in vitro - Überlebensrate von E. coli im Mageninhalt ...138
5.4.1 „Überlebensrate“ von E. coli im Mageninhalt ...139
5.4.2 Magenpassage in vivo ...143
5.4.3 Gesamtbetrachtung ...146
6 ZUSAMMENFASSUNG ... 149
7 SUMMARY ... 153
8 LITERATURVERZEICHNIS ... 157
9 ANHANG ... 199
ABKÜRZUNGSVERZEICHNIS
± s Standardabweichung
® eingetragenes Warenzeichen B. h. Brachyspira hyodysenteriae BHI Brain Heart Infusion bzw. beziehungsweise d Versuchstag d.h. das heißt dd Dünndarm
dd1 craniales Dünndarmdrittel dd2 mittleres Dünndarmdrittel dd3 caudales Dünndarmdrittel DG Durchgang
DON Deoxynivalenol dpi day post infection E. coli Escherichia coli et al. et alii (und andere)
ETEC enterotoxische Escherichia coli EVD Epizootische Virusdiarrhoe Fa. Firma
ggr. geringgradig GIT Gastrointestinaltrakt h Stunde(n) hgr. hochgradig i.c. intracardial i.m. intramuskulär i.v. intravenös
KbE koloniebildende Einheiten L. i. Lawsonia intrazellularis LFGB Lebensmittel- und
Futtermittelgesetzbuch lg Logarithmus zur Basis 10 LTI hitzelabiles Toxin I Lys Lysin (Aminosäure) Met Methionin (Aminosäure) MF Mischfutter
mgr. mittelgradig
n Anzahl
n.n. nicht nachweisbar n.u. nicht untersucht NE Nekrotisierende Enteritis NfE N-freie Extraktstoffe p Wahrscheinlichkeit p. inf. Lat: post infectionem PBS Phosphat-gepufferte
Kochsalzlösung
PCR Polymerase Chain Reaction PIA Porzine Intestinale Adenomatose PPE Porcine proliferative Enteritis PRCV Porzines Respiratorisches
Coronavirus
PRRS Porcines Reproduktives und Respiratorisches Syndrom PWD Post Weaning Diarrhoea Ra Rohasche
Rfa Rohfaser Rfe Rohfett Rp Rohprotein
SPF spezific pathogen free STI hitzestabiles Toxin I STII hitzestabiles Toxin II STx2e Shigatoxin 2e
TGEV Transmissible Gastroenteritis Virus
TS Trockensubstanz uS ursprüngliche Substanz
vs versus
ZEA Zearalenon
1 Einleitung
Mit dem Absetzen gehen einige morphologische Veränderungen im Gastrointestinaltrakt von Ferkeln einher, sodass die Anfälligkeit gegenüber Magen- Darm-Erkrankungen in dieser Zeit erhöht ist (TUCH u. AMTSBERG 1973). Dieses Phänomen kann verstärkt auftreten, wenn die Tiere sich nur langsam an die Aufnahme festen Futters gewöhnen und somit einige Tage wenig bis gar nicht fressen.
Ein pathogenes Agens, das in dieser Zeit sehr häufig zu verlustreichen Infektionen in der Praxis führt, ist Escherichia coli. Apathogene Stämme dieses Bakteriums gehören zwar zur residenten Darmflora, pathogene Stämme jedoch können bei Tieren verschiedener Altersgruppen (v. a. Saug- und Absetzferkel) unter anderem Durchfall auslösen. Nach der Aufnahme des Durchfallerregers bindet dieser an Rezeptoren auf der Darmschleimhaut und sezerniert Toxine. Diese agieren lokal im Darm und verursachen eine erhöhte Elektrolytsekretion, sodass eine sekretorische Diarrhoe entsteht (FORTE et al. 1992). Der dadurch hervorgerufene Flüssigkeits- und Elektrolytverlust führt schnell zur Exsikkose der Tiere, woraus mangelnde Gewichtszunahmen bis hin zu Todesfällen resultieren können.
Im Hinblick auf die Tiergesundheit, Behandlungsmöglichkeiten und das Tierwohl ist es wichtig, Strategien zu entwickeln, die in dieser für die Ferkel schwierigen Phase gewisse protektive Funktionen erfüllen können. Um möglichst gesunde Tiere am Ende der Aufzucht zu erhalten und damit auch sichere Lebensmittel zu produzieren, sind die Optimierung von Haltung und Hygienemaßnahmen sowie die Züchtung resistenter Tiere gegenüber verschiedenen Erkrankungen mögliche Ansätze. Nicht zuletzt sind hier auch diätetische Maßnahmen gefragt, d. h. Futter und Fütterung sollten entsprechend optimiert werden.
Mit dem Einsatz eines grob vermahlenen Futters waren diverse günstige Einflüsse auf die Morphologie des Magen-Darm-Traktes (u. a. MIKKELSEN et al. 2004;
HEDEMANN 2005; BETSCHER 2010), einige physiochemische Eigenschaften der Ingesta (u. a. MIKKELSEN 2004; WINTERMANN 2011), die mikrobielle Besiedlung des Darmes (u. a. PAPENBROCK 2004; BULLERMANN 2012) und die Tiergesundheit (u. a.
VISSCHER 2006; OELSCHLÄGER 2011; KOOP 2013) nachzuweisen. Dies gelang u. a.
in Vorgängerarbeiten mit den gleichen Mischfuttervarianten, die auch in der vorliegenden Untersuchung eingesetzt wurden, und zwar ohne Einbußen in der Verdaulichkeit (BULLERMANN 2012; ARLINGHAUS 2013).
Besonders hervorzuheben ist der protektive Effekt gegenüber einer Infektion mit Salmonellen, sodass die Herdenprävalenz (VISSCHER 2006) und die Überlebensrate im Mageninhalt (in vitro; MIKKELSEN et al. 2004; KOOP 2013) durch den Einsatz eines grob vermahlenen schrotförmigen Futters gesenkt werden konnten.
Vor diesem Hintergrund ergaben sich folgende Fragestellungen für die vorliegende Arbeit:
- Ist es möglich, den Verlauf (Ausscheidungsdauer, Durchfallintensität) einer experimentellen Infektion von Absetzferkeln mit E. coli (F4, STI, STII, LTI) durch die Futterstruktur (Vermahlung/Konfektionierung) zu beeinflussen?
- Hat die Futterstruktur einen Einfluss auf die Überlebensfähigkeit von E. coli während der Passage des Gastrointestinaltraktes?
- Welchen Effekt hat die Futterstruktur auf das Wachstum von E. coli im Mageninhalt unter in-vitro-Bedingungen?
2 Schrifttum
2.1 Mischfutterstruktur und -konfektionierung
Bei dem in der modernen Schweinehaltung eingesetzten Futter handelt es sich heute in den meisten Fällen um Alleinfuttermittel. Die Einzelkomponenten werden nach der Bearbeitung (Vermahlung) zusammengefügt, gemischt und als Schrot, aber auch als konfektioniertes Futter (Pellet, Brösel, Granulat, Extrudat) angeboten.
Als Basis für diese Futtermittel dient in der Regel Getreide (v. a. Weizen, Gerste), welches evtl. nach der Ernte zunächst gereinigt und getrocknet werden muss (KAMPHUES et al. 2014). Für die Verwendung in einem Mischfuttermittel für Schweine wird das abgelagerte Getreide nach diesen Prozessen in der Regel zerkleinert (geschrotet; seltener auch gewalzt bzw. gequetscht), da – im Gegensatz zum Geflügel – durch eine Vermahlung die Verdaulichkeit deutlich erhöht werden kann (LEIBETSEDER 1987). Neben der Verdaulichkeit werden durch die verschiedenen Bearbeitungsprozesse bei der Mischfutterherstellung aber auch diverse andere verdauungsphysiologische Prozesse beeinflusst (s. Abbildung 1).
Da Getreide allein den Nährstoffbedarf der verschiedenen Alters- und Nutzungsgruppen nicht decken kann, enthält ein übliches Alleinfutter darüber hinaus proteinreiche Einzelfuttermittel (z. B. Soja- oder Rapskomponenten) sowie verschiedene weitere Ergänzungen (z. B. Mineralstoffe, freie Aminosäuren, spezifische Faserquellen). Auch technologische, sensorische oder zootechnische Zusatzstoffe können zugegeben werden (KAMPHUES et al. 2014).
Abbildung 1: Einfluss der Partikelgrößenverteilung auf verschiedene verdauungsphysiologische Parameter (mod. nach BETSCHER et al. 2010)
2.1.1 Zerkleinerung von Futterkomponenten / Mischfutter
Die Futterstruktur kann durch unterschiedliche Faktoren beeinflusst werden:
Abbildung 2: Einfluss verschiedener Parameter auf die "Struktur" eines Mischfutters für Schweine (KAMPHUES 2009)
Zur Vermahlung von Einzelkomponenten, aber auch von Mischungen verschiedener Einzelfuttermittel, werden heutzutage vornehmlich zwei Arten von Mühlen eingesetzt: die Hammermühle und der Walzenstuhl (KOCH 2002).
Hammermühle
Diese Mühlen sind seit Jahrzehnten in Gebrauch und weit verbreitet in der Mischfutterindustrie, aber auch auf landwirtschaftlichen Betrieben (Vermahlung von hofeigenem Getreide) und in Mehl- und Schälmüllereien (KERSTEN et al.2003).
In einem Stahlgehäuse befindet sich bei dieser Mühlenart ein Rotor, an dem unterschiedlich viele Hämmer befestigt sind. An sechs Bolzen sind jeweils ein bis mehrere Hämmer angebracht, die in der Rotation das Mahlgut aufwirbeln, sodass dieses mit dem folgenden Hammer kollidiert. Sowohl durch diese Kollision als auch durch den Aufprall des Mahlgutes an der Gehäusewand und auf das Sieb erfolgt
Struktur des Futters bei der Aufnahme durch das Tier
- Partikelgrößen-Verteilung -
ART/ANTEIL von Komponenten -pflanzenanatomische Einflüsse - Struktur der Ergänzungen (Min.stoffe etc.) -bestimmte Nebenprodukte
ANGEBOTSFORM - als Trockenfutter (Förderungstechnik) - als Flüssigfutter (Standzeit/Rühreffekte) - als Breifutter (Quellung)
KONFEKTIONIERUNG -Pelletierung (an sich)
- Pellet-Durchmesser („Strukturverlust“) - Nachträgliche Bröselung ( “ )
VERMAHLUNG - Art der Zerkleinerung (Zertrümmern) - Siebloch-Durchmesser (HM) - nachgeschaltete Siebung
Struktur des Futters bei der Aufnahme durch das Tier
- Partikelgrößen-Verteilung -
ART/ANTEIL von Komponenten -pflanzenanatomische Einflüsse - Struktur der Ergänzungen (Min.stoffe etc.) -bestimmte Nebenprodukte
ANGEBOTSFORM - als Trockenfutter (Förderungstechnik) - als Flüssigfutter (Standzeit/Rühreffekte) - als Breifutter (Quellung)
KONFEKTIONIERUNG -Pelletierung (an sich)
- Pellet-Durchmesser („Strukturverlust“) - Nachträgliche Bröselung ( “ )
VERMAHLUNG - Art der Zerkleinerung (Zertrümmern) - Siebloch-Durchmesser (HM) - nachgeschaltete Siebung
die Vermahlung des Produktes (sog. „Prallzertrümmerung“). In der Peripherie der Mahlkammer befindet sich eine auswechselbare Sieblochplatte, die durch ihren Lochdurchmesser die Feinheit des Mahlgutes bestimmt. Um sicherzustellen, dass Partikel mit der gewünschten Größe zügig die Mahlkammer verlassen, wird der durch die Rotation erzeugte Luftstrom zum Abtransport des vermahlenen Gutes genutzt.
Zahlreiche Parameter können bei der Verwendung einer Hammermühle das Ergebnis des Mahlvorganges beeinflussen:
- Die Oberfläche, die Elastizität, die Festigkeit und der Feuchtegehalt des Mahlgutes haben einen maßgeblichen Einfluss auf dessen Verhalten bei der Zerkleinerung sowie den Prozessablauf (KERSTEN et al.2003;LÖWE u.FEIL 2011): So führt z. B. ein höherer Feuchtegehalt zu steigendem Energiebedarf und sinkender Durchsatzrate. Mais wird in der Regel bei gleicher Gerätekonfiguration feiner vermahlen als Weizen und dieser wiederum feiner als Gerste.Der Grund dafür sind pflanzenanatomische und histologische Eigenschaften wie der Härtegrad des Korns und der Spelzenanteil.
- Je kürzer das Mahlgut in der Mahlkammer verweilt und somit weniger häufig gegen die Hämmer prallt, desto gröber ist das Endprodukt. Der Sieblochdurchmesser und die offene Siebfläche (Durchmesser eines Siebloches x Anzahl Sieblöcher pro Lochblech) haben darauf einen großen Einfluss. Bei der mehrstufigen Vermahlung wird dieses Prinzip genutzt:
Nach der Passage des Lochbleches (großer Lochdurchmesser) wird das Mahlgut auf einem Sieb fraktioniert und nur „zu große Partikel“ werden einer erneuten Vermahlung zugeführt.
- Die Breite der Hämmer und ihre Anzahl pro Bolzen kann variieren. Breite Hämmer zerschlagen das Mahlgut weniger stark als schmale. Eine höhere Anzahl an Hämmern führt zu häufigerem Kontakt des Mahlgutes mit einem Hammer und damit zu einem höheren Zerkleinerungsgrad. Der gleiche Effekt zeigt sich bei erhöhter Rotationsgeschwindigkeit der Hämmer.
Walzenstuhl
Die Technik der Walzenstuhlvermahlung gibt es schon seit Jahrhunderten.
Vornehmlich wird dieser in der Herstellung von Flocken, als Pelletbrecher oder in der Petfood-Industrie verwendet (KERSTEN et al. 2003). Jedoch erlangt der Walzenstuhl auch in der Mischfutterproduktion für die landwirtschaftlichen Nutztiere immer mehr an Bedeutung.
Das Prinzip des Walzenstuhles sind jeweils zwei parallel liegende Walzen, welche mit Riffeln versehen sind und zwischen denen das zu zerkleinernde Mahlgut hindurchläuft. Von diesen Walzenpaaren können mehrere hintereinander geschaltet sein. Für den Mahlvorgang sind der Abstand zwischen den Walzen eines Paares, die Riffelung und die Voreilung von Bedeutung. Der Mahlspalt ist maßgebend für die zu erreichende Partikelgröße und kann durch das Verstellen einer der beiden parallelen Walzen verändert werden (KOCH 2002). Die Riffelung kann sich in der Anzahl (200 - 500) sowie im Drall unterscheiden (KERSTEN et al.
2003). Außerdem kann die Riffelstellung variieren (Rücken-Rücken oder Schneide- Schneide). Die Schneide-Schneide-Stellung ist die in der Mischfutterindustrie vorherrschende Riffelstellung (KERSTEN et al. 2003). Hierbei sind die Riffel der langsam laufenden Walze nach oben, die der schnell laufenden Mahlwalze nach unten gerichtet. Mit Voreilung wird die unterschiedliche Drehgeschwindigkeit der beiden parallel liegenden Walzen beschrieben (→ Scherkräfte treffen das Mahlgut).
Übersicht 1: Vergleichende Darstellung der Vor- und Nachteile unterschiedlicher Vermahlungstechniken
Hammermühle Walzenstuhl
Prinzip Prallzertrümmerung Druck- u. Scherkräfte
„schneiden“ / brechen / zerreiben
Vorteile
- geringe Anschaffungs- und Unterhaltungskosten - universell einsetzbar
- enges Kornband - geringer Feinanteil - geringere Betriebskosten
(VORHER 2006)
Nachteile
- geringere Energieeffizienz - weites Kornband, Feinanteil ↑
(KOCH 2002; LÖWE u. FEIL 2011) - Staubbildung ↑ und
Vermahlungswärme ↑ (VORHER 2006)
- hohe Anschaffungs- und Instandhaltungskosten - Vermahlen faserreicher
Komponenten schwierig bis unmöglich (KOCH 2002)
2.1.2 Konfektionierung von Mischfutter
Aufgrund einiger Vorteile, z. B. von technologischer Seite, ist es üblich, das Futter nach dem Vermahlen zu konfektionieren. Dadurch wird nicht nur die Schüttdichte verringert und somit Volumen bei Transport und Lagerung eingespart, sondern auch die Fließfähigkeit erhöht (KERSTEN et al. 2003). Die Gefahr der Brückenbildung in Lagerzellen (Silos) wird somit reduziert und die vollständige Entleerung derselben gefördert/gesichert, was wiederum das Risiko einer Verschleppung minimiert (KAMPHUES et al2014). Der aus Sicht des Tierernährers vielleicht größte Vorteil eines konfektionierten Futters ist die Verhinderung einer Entmischung und der selektiven Futteraufnahme durch die Tiere.
Darüber hinaus zeigen Pellets/Extrudate im Vergleich zu schrotförmigen Mischfuttern ein günstigeres Quell- und Wasseraufnahmeverhalten, was bei einem Einsatz als Flüssigfutter von Vorteil ist (ARLINGHAUS et al. 2013).
Die mit der Konfektionierung einhergehenden höheren Temperaturen nehmen jedoch nicht nur auf technische Eigenschaften und Parameter des Futters Einfluss, sondern haben auch Auswirkungen auf diverse (verdauungs)physiologische Prozesse im GIT.
So kommt es bei Temperaturen zwischen 56 °C und 90 °C (je nach Stärkequelle) und gleichzeitig ausreichend hohem Wassergehalt zu einer mehr oder weniger ausgeprägten Gelatinisierung der Stärke (BILIADERIS et al. 1980; LINEBACK u.
WONGSRIKASEM 1980), wodurch die Stärkegranula ihre innere Ordnung verlieren und leichter für Enzyme angreifbar werden (ROONEY u. PFLUGFELDER 1986;
ARLINGHAUS et al.2013). Durch diesen Vorgang kann die Verdaulichkeit der Stärke deutlich gefördert werden. Neben den Einflüssen auf verschiedene Inhaltstoffe des Mischfutters (siehe hierzu auch ARLINGHAUS et al. 2013) kann auch eine Hygienisierung, d. h. eine Reduzierung der im Futter vorhandenen Keimzahl, erreicht werden (KAMPHUES et al. 2014). Allerdings sind mit der Einwirkung höherer Temperaturen auch Risiken für den Erhalt einiger dem Futter zugesetzter Enzyme, Vitamine und Probiotika verbunden (SAMARASINGHE et al.2000).
Nicht zuletzt wird mit der Wahl der Darreichungsform das Futteraufnahmeverhalten der Tiere beeinflusst. Im Allgemeinen kann bei der Pelletfütterung eine höhere Futteraufnahme (Menge pro Zeiteinheit) verzeichnet werden, als beim Angebot schrotförmigen Futters (BRAUDE et al.1960;ENGLISCH 1967).
Pelletieren
Unter Zuführen von Wasserdampf wird das Mischfutter bei etwa 60 - 80 °C (KAMPHUES et al. 2014) durch eine Matrize gepresst; es entstehen Pellets. Der Anteil pelletierter Mischfutter auf dem Markt liegt bei etwa 80 - 90 % (KERSTEN et al.
2003). In einem Konditioneur (Kurzzeitkonditionierung) oder einem Reifebehälter (Langzeitkonditionierung) wird das Mischfutter durch die Einleitung von
Wasserdampf oder Presshilfsmitteln (z. B. Melasse, Ligninsulfonate, Zelluloseäther) auf das Pressen vorbereitet. Durch dieses Verfahren kann der Energieaufwand für das Pressen gesenkt, die Pelletstabilität und die Verdaulichkeit der Nährstoffe erhöht und eine evtl. vorhandene Keimbelastung (Bakterien, Pilze) reduziert werden (KERSTEN et al.2003). Wichtig für den folgenden Pelletiervorgang sind die Faktoren Zeit, Druck und Temperatur und deren Verhältnis zueinander.
Das so vorbehandelte Material wird nun durch eine Matrize (z. B. Ring- oder Scheibenmatrize) gedrückt. Damit wird der Durchmesser der Pellets (1 - 16 mm) vorgegeben. Die Länge der Pellets wird durch das Abtrennen des Presslings von der Matrize mit einem Abstreifmesser bestimmt. Nach dem Pelletieren müssen die Pellets gekühlt und getrocknet werden, um einen Wert von maximal 14 % Feuchte zu erreichen und so die Lagerfähigkeit herzustellen (KERSTEN et al. 2003). Beim Pelletiervorgang ist eine gewisse Nachzerkleinerung des Ausgangsmaterials kaum zu verhindern (KAMPHUES et al.2014), allein durch die Pelletierung („sekundäre Vermahlung“) können die Anteile grober Partikel (> 1,00 mm) um bis zu 30 % reduziert werden.
Extrudieren
Die Extrusion (und auch die Expansion) werden vornehmlich bei der Herstellung von Futtermitteln für Klein- und Heimtiere angewandt, finden aber auch in der Nutztierfütterung Einsatz. Vorteilhaft sind dabei vor allem der hygienisierende Effekt ebenso wie eine günstige Beeinflussung verschiedener Inhaltsstoffe (u. a.
Reduktion antinutritiver Faktoren, Gelatinisierung der Stärke,…), der besonders in der Fütterung von Jungtieren genutzt wird (HEIDENREICH u. MICHAELSEN 1995;
ARLINGHAUS et al. 2013).
Nachdem das Mischfutter – wie auch vor dem Pelletieren – unter Zugabe von Wasserdampf konditioniert wurde, gelangt es über eine (oder zwei) Schnecke(n) in
den Verdichtungsraum. Bei diesem Transport wird Druck (400 - 100 bar) aufgebaut, welcher neben Feuchte und Temperatur die Haupteigenschaft des Prozesses ausmacht (HEIDENREICH 1994). Das Material wird am Ende des Verdichtungsraumes durch eine formgebende Düse gedrückt. Die Länge des Produktes wird, wie auch beim Pelletieren, durch ein am Auslauf angebrachtes rotierendes Messer bestimmt. Der Extrusion/Expansion kann eine Pelletierung angeschlossen werden. Hier ist der Vorteil einer höheren Pelletstabilität sowie eines höheren Durchsatzes und des geringeren Energiebedarfs beim Pelletieren zu nennen (HEIDENREICH 1994). Das Extrudat kann jedoch nach Kühlung, welche eine Reduzierung der Produktfeuchte auf etwa 14 % einschließt, auch ohne weitere Bearbeitung eingelagert und verfüttert werden. Es ist bei diesem Prozess möglich, dem Mischfutter höhere Mengen an Flüssigkeit oder Fett (20 - 30 %) zuzugeben, ohne dabei Produktstabilität einzubüßen (KERSTEN et al.2003).
2.2 Ursachen für Durchfallerkrankungen beim Absetzferkel
Die Absetzphase ist ein für das Ferkel mit vielen Veränderungen einhergehender Lebensabschnitt. Die Tiere werden von der Muttersau getrennt, in neuen, größeren Gruppen in einem anderen Stall untergebracht und erhalten ausschließlich feste Nahrung. Der mit dieser Umstellung verbundene Stress hat häufig Erkrankungen des Magen-Darm-Traktes zur Folge. Mögliche Ursachen für diese Störungen der Magen-Darm-Gesundheit (diätetisch, viral, parasitär, bakteriell) werden in den nachfolgenden Kapiteln erläutert.
2.2.1 Nutritiv bedingte Erkrankungen
Wenn Ferkel nach dem Absetzen forciert gefüttert werden, kann es zu Fehlfermentationen im GIT kommen. KAMPHUES (1987) zeigte, dass eine
Überfütterung
(Überfressen) bei Absetzferkeln nach Nahrungskarenz zumindestkurzfristig eine veränderte Kotbeschaffenheit (TS < 15 %) zur Folge hat. Er erklärte dies mit einer erhöhten Aktivität der Laktatbildner. Auch die pH-Werte im Mageninhalt stiegen in den Untersuchungen nach „Überfressen“ bis auf Werte von 4,35 an, das aufgenommene Futter wurde also weniger intensiv durchsäuert.
Gleichzeitig sanken die pH-Werte im Dünndarmchymus und in Folge dessen auch die Aktivität von Enzymen (α-Amylase). Ursache einer auf diese Weise ausgelösten Durchfallerkrankung ist nach ROTHERT (1987) nicht die vermehrte Fermentation praecaecal unverdauter Kohlenhydrate im Dickdarm, sondern die Ansammlung von Laktat, beginnend in Magen und Dünndarm (erhöhte Zahl Laktobazillen), welche sich bis ins Colon fortsetzt.
Nicht nur bei der Fütterung von Absetzferkeln ist die Qualität der Futtermittel von großer Bedeutung. Sekundäre Stoffwechselprodukte von Schimmelpilzen (Mykotoxine), welche auf dem Feld, aber auch unter suboptimalen Bedingungen bei der Lagerung gebildet werden, können nachteilige Wirkung auf das Tier haben.
Nach LFGB § 17 ist es verboten, Futtermittel herzustellen, die geeignet sind, die Gesundheit von Tieren zu gefährden. Eine Belastung des Mischfutters mit
Fusarientoxinen
(Deoxynivalenol, DON; Zearalenon, ZEA) kann eine solche Gefährdung darstellen (DÄNICKE 2007). In einem Amtsblatt der Europäischen Union gab die Kommission Empfehlungen zu Richtwerten für diese Substanzen in Futtermitteln an (2006/576/EG). In Untersuchungen von SPRING undYIANNIKOURIS (2006) wurde eine geringere Futteraufnahme und dadurch sinkende Tageszunahmen bei Einsatz belasteten Futters beobachtet. Außerdem führte die Fütterung von mit ZEA belastetem Mischfutter bei Schweinen aufgrund der östrogenen Wirkung zu geschwollener Vulva bzw. Präputium und gehäuftem Auftreten von Rektumprolaps. Diese Symptome sind nach der Aufnahme von ZEA- belastetem Futter typisch und betreffen vor allem präpubertäre weibliche Tiere undZuchtsauen. Bei Aufnahme von DON-belastetem Mischfutter traten die Symptome Durchfall und Erbrechen, die typischer Weise anzutreffen sind, erst nach 20- tägiger Exposition auf (HOFSTETTER et al.2006). Wird das belastete Futter durch ein Mykotoxin-freies Futter ersetzt, verschwinden auch die Symptome wieder.
2.2.2 Viral bedingte Erkrankungen
Verschiedene Viren können Durchfallerkrankungen beim Ferkel hervorrufen.
Häufig kommt es zu bakteriellen Sekundärinfektionen, welche den Krankheitsverlauf meist negativ beeinflussen.
Übersicht 2: Relevante virale Durchfallerreger in der Absetzphase
Virus Pathogenese / Symptome Autoren
Coronaviren
TGE - Zottenatrophie im Dünndarm - Malabsorption diverser Nährstoffe - verminderte Glukoseabsorption im
Dünndarm
HAELTERMANN (1972);
AHRENS (1978)
PRCV - respiratorische Symptome KÖNIG u. THIEL (2010) EVD - Zottenatrophie und Maldigestion
- klinisch nicht von der TGE zu unterscheiden
PENSAERT u.DE BOUCK (1978);HESS et al.(1980)
Rotaviren - Durchfallerkrankungen bei Saugferkeln - Schleimhautläsionen im Dünndarm - im Absetzalter besondere Bedeutung im
Rahmen von Sekundärinfektionen
LECCE et al. (1982), BENFIELD et al. (1988);
ENMARK et al. (2003)
Zahlreiche bei Saugferkeln nachgewiesene Durchfallerreger sind Viren der Familie
Coronaviridae
(PRAGER u.WITTE 1983). Sowohl das Krankheitsbild, als auch die am häufigsten betroffene Altersgruppe hat sich jedoch laut HEINRITZI et al.(1990)gewandelt, sodass die Erkrankungen heute vornehmlich bei Absetzferkeln auftreten.
Eine Variante der von Coronaviren hervorgerufenen Erkrankungen beim Schwein, deren Nachweis erstmals 1946 gelang (DOYLE u. HUTCHINGS 1946), ist das Transmissible Gastroenteritis Virus (TGEV). Vor allem bei Ferkeln in den ersten Lebenswochen verläuft die Infektion in Folge des hochgradigen Flüssigkeitsverlustes in der Regel tödlich. Anhand von immunfluoreszenztechnischen Untersuchungen konnten PRAGER undWITTE (1983) dieses Virus bei Ferkeln von der ersten bis zur sechsten Lebenswoche mit absteigender Häufigkeit nachweisen. Antikörper sind bei Schweinen aller Altersklassen nachweisbar (PRAGER u.WITTE 1983).
In Belgien traten um 1983 - 1984 in Nasentupferproben Antikörper gegen „TGE- ähnliche Coronaviren“ bei Sauen am Schlachthof auf, ohne dass Durchfallerkrankungen auf den Betrieben zu verzeichnen waren. Diese Antikörper wiesen experimentell und im Feld eine hohe Kreuzimmunität gegen TGEV auf und zeigten eine sehr weite Verbreitung (PENSAERT et al.1986; LAUDE et al. 1993).
Beide Tatsachen erklären den deutlichen Rückgang der Bedeutung von TGEV als Durchfallerreger in der Schweinehaltung (PAUL et al.1994). Das verursachende Virus ist eine Mutante mit Deletion im S-Gen des TGEV (RASSCHAERT et al.1990;
LAUDE et al.1993), die als Porcines Respiratorisches Coronavirus (PRCV, PRCoV) bezeichnet wird.
Ebenfalls zum Genus Alphacoronavirus gehörend und Durchfall verursachend ist die Epidemische Virusdiarrhoe (EVD). WOOD (1977) beschrieb diese Erkrankung in England, nahezu gleichzeitig war auch in Belgien ein Ausbruch zu verzeichnen (PENSAERT u.DE BOUCK 1978). Sowohl die TGE als auch die EVD können zwar symptomatisch behandelt werden, eine wirkungsvolle Behandlung gelingt mit Medikamenten jedoch kaum (HEINRITZI et al.1990).
Grundsätzlich eher als Verursacher von Saugferkeldurchfall bekannt, können Erkrankungen durch eine Infektion mit Rotaviren jedoch auch bei bis zu fünf Wochen alten, bereits abgesetzten Ferkeln auftreten (HEINRITZI 2006). Ein Virusnachweis gelang FU undHAMPSON (1986) ausschließlich bei Tieren im Alter zwischen zwei Wochen und zwei Monaten. Das zu der Familie der Reoviridae gehörende Genus
Rotavirus
wird in fünf Gruppen unterschieden (A - E).Schweine können von Viren der Gruppen A, B, C und E infiziert werden, wobei WILL et al.(1994) zu 89 % Viren der Gruppe A nachweisen konnten. LECCE et al.
(1982) konnten bei abgesetzten und konventionell aufgestallten Ferkeln neben dem Rotavirus-Nachweis eine Verschiebung der enteralen Flora von anhämolysierenden zu hämolysierenden Escherichia coli feststellen, wohingegen in besonderen Hygieneställen aufgestallte Ferkel zwar Virus-positiv waren, jedoch keine Verschiebung innerhalb der Darmflora stattfand.
2.2.3 Parasitär bedingte Erkrankungen
Protozoen der Ordnung Coccidia, Gattung Cryptosporidium, Eimeria und Isospora zählen zu den wichtigsten parasitären Verursachern von Durchfall (ROMMEL et al.
1992). Der Lebenszyklus der Kokzidien findet im Endwirt, im Freien und/oder in Zwischenwirten statt (ROMMEL 1978).
Übersicht 3: Relevante parasitäre Durchfallerreger bei Schweinen
Gattung Pathogenese / Symptome Literatur
Isospora suis - häufigster Durchfallerreger - Penetration der Dünndarm-
Epithelzellen
- pastös bis wässriger Durchfall 4 - 5 Tage nach Aufnahme der Oozysten - zweigipfliger Verlauf
ROBINSON et al.
(1983);MARTINEAU u.
DEL CASTILLO (2000);
MUNDT u.DAUGSCHIES (2000);MUNDT et al.
(2003) Cryptosporidium - verursachen Entzündung der
Schleimhaut des Dünndarms - ebnen dadurch eine Eintrittspforte für
bakterielle Sekundärinfektionen
NAGY u. POHLENZ (1982); SCHMIDT u.
NIENHOFF (1982)
Eimeria - geringe Bedeutung bei Durchfall - verkürzte Mikrovilli im caud. Dünndarm - Rolle bei bakt. Sekundärinfektionen (?)
LINDSAY et al.(1987);
VÍTOVEC et al.(1987);
KOUDELA et al.
(1990); KOUDELA u.
VÍTOVEC (1992) Bei Schweinen jeder Altersgruppe vorkommend, verursacht
Isospora
suis vor allem bei sehr jungen Ferkeln klinischen Durchfall, später scheint eine altersabhängige Resistenz einhergehend mit geringerer Ausscheidungs- und Durchfallrate die Tiere zu schützen (STUART et al. 1982; KOUDELA u.KUCEROVÁ 1999; MUNDT et al. 2003). OTTEN (1995) konnte in ihren Untersuchungen zur Epizootiologie feststellen, dass vor allem in Betrieben mit bestehenderDurchfallproblematik die Nachweishäufigkeit von Isospora suis steigt. Dabei scheint die Absetzphase besonders geeignet für den Nachweis ausgeschiedener Oozysten.
Cryptosporidium
spp. werden als fakultativ pathogene Parasiten angesehen (NAGY u.POHLENZ 1982). Schweine scheiden die Oozysten vornehmlich 45 Tage nach dem Absetzen für etwa 28 Tage aus (GUSELLE et al.2003). Die Menge an ausgeschiedenen Oozysten muss aber nicht mit einer klinisch apparenten Infektion einhergehen (ENEMARK et al.2003;GUSELLE et al.2003). Zusätzlich gab es bei ENEMARK et al. (2003) Unterschiede in der klinischen Relevanz verschiedener Isolate von Cryptosporidium parvum, welche die Autoren mit einer Wirtsadaptation erklärten.2.2.4 Bakteriell bedingte Erkrankungen
Differentialdiagnostisch sind insbesondere bakteriell bedingte Erkrankungen in der Absetzphase als Ursache für Durchfallerkrankungen zu berücksichtigen. Allein oder in Co-Infektion mit anderen Bakterien oder Viren können sie hochgradige Krankheitsverläufe verursachen, die zum Teil mit hohen Verlustraten einhergehen.
Weltweit mit steigender Häufigkeit in Schweine haltenden Betrieben nachgewiesen und von zunehmender Relevanz in der Bedeutung als Durchfallerreger ist
Lawsonia intracellularis
(JACOBSON et al.2010). WENDT et al.(2004) konnten in Betrieben mit Durchfallproblemen zu 33,7 % Lawsonien nachweisen. Der Anteil seropositiver Betriebe war im Rahmen dieser Untersuchungen innerhalb der Sauen haltenden und der reinen Mastbetriebe höher als bei Ferkelerzeugern. Es handelt sich hier um ein obligat intrazellulär auftretendes Stäbchenbakterium, das bei Schweinen verschiedener Altersgruppen Probleme verursachen kann. Die sogenannte „Porcine Proliferative Enteropathie“ (PPE)wird durch eine Infektion der Schweine im Absetzalter verursacht und führt zu Einbußen in Tageszunahmen undFutterverwertung über die gesamte Mastperiode (WINKELMAN u. DEE 1996).
Durchfall kann auftreten, jedoch verläuft die Infektion häufig subklinisch (WINKELMAN u.DEE 1996;SMITH u.MCORIST 1997).
Unterschieden werden im Wesentlichen zwei Verlaufsformen:
Der chronische Verlauf, welcher vornehmlich bei der Infektion junger Schweine auftritt (STEGE et al.2004), stellt sich als „Porcine Intestinale Adenomatose“ (PIA) oder „Nekrotische Enteritis“ (NE) dar (BRONSVOORT et al. 2001). Vor allem in Herden mit hohem Gesundheitsstatus können sich auch ältere Schweine oder Jungsauen mit Lawsonien infizieren (LOVE et al.1977;FRIENDSHIP et al.2005). In diesen Fällen kommt es häufig zur akuten Form der Erkrankung, welche mit Epitheldegeneration und dadurch bedingt mit massiven Blutungen einhergeht (FRIENDSHIP et al. 2005). Diese als „Proliferative Hämorrhagische Enteropathie“
(PHE) bezeichnete Form kann zum plötzlichen Tod der Tiere mit Anämie und intestinalen Hämorrhagien führen (FRIENDSHIP et al.2005).
Einige Untersuchungen zur Verbreitung von Brachyspira spp. in Deutschland konnten zeigen, dass die
Dysenterie
zu den klinisch bedeutendsten Durchfallerkrankungen in der Schweinehaltung gehört. Es handelt sich dabei um ein gram-negatives, anaerob wachsendes Bakterium, welches den Spirochäten zugeordnet wird.RITZMANN et al. (2009) untersuchten Tupferproben von Schweinen unterschiedlicher Altersgruppen mit Durchfall, wobei in 25,5 % der Proben Brachyspira hyodysenteriae (B. h.) nachgewiesen werden konnte. Vor allem in Landesteilen mit einer hohen Populationsdichte für Schweine (Niedersachsen, Nordrhein-Westfalen) war in entsprechenden Untersuchungen eine Häufung positiver Proben zu verzeichnen (WALDMANN et al.2000; VERSPOHL et al.2001;
RITZMANN et al. 2009). In 1218 Brachyspira-positiven Proben von an Durchfall
erkrankten Schweinen konnten VERSPOHL et al. (2001) zu 59,1 % B. h. differenzieren. Allerdings war ein Nachweis auch bei gesunden Schweinen (6,7 %) zu führen (HERBST et al. 2004). Eine höhere Nachweisrate bei Mastschweinen passt zu den klinischen Erscheinungen, die eher in dieser Altersgruppe auftreten.
Aber auch bei Absetzferkeln konnte B. h. in 14,2 % der untersuchten Tiere nachgewiesen werden (HERBST et al.2004;RITZMANN et al.2009). Die Infektion mit B. h. kann sich klinisch in muco-hämorrhagischem Durchfall äußern (HARRIS et al.
1972), eine subklinische Infektion ist jedoch ebenfalls möglich (HAMPSON et al.
1992; HERBST et al. 2004). Mikroskopisch konnten Spirochäten nach experimenteller Infektion zunächst in geringer Zahl im Lumen, an den luminalen Zellwänden und in den Becherzellen des Dickdarms nachgewiesen werden. Mit dem Fortschreiten von Zellläsionen steigt auch die Anzahl der vorhandenen Bakterien, welche die Lamina propria jedoch nicht penetrieren. Ein Zusammenhang zwischen der nachweisbaren Bakterienzahl und dem Auftreten einer klinischen Erkrankung konnte hergestellt werden (GLOCK et al.1974).
2.3 Escherichia coli (E. coli)
Aufgrund der besonderen Bedeutung von E. coli für Ferkel in der Absetzphase und für die vorliegende Arbeit soll hier ausführlicher auf diesen Durchfallerreger eingegangen werden.
Escherichia coli gehört zur Gattung der Enterobacteriaceae. Die gram-negativen Stäbchenbakterien sind zunächst Kommensalen in der residenten gastrointestinalen Flora. Es gibt aber auch verschiedene pathogene Varianten, welche schwere intestinale und extraintestinale Erkrankungen hervorrufen können (WIELER u.EWERS 2011); dazu gehören Mastitiden bei Kühen sowie Septikämien und Enterotoxämien bei Schweinen.
Es gibt viele Möglichkeiten, E. coli zu klassifizieren, üblich ist jedoch eine Einteilung anhand der Serotypisierung (KAUFFMANN 1947; EWING 1986). Die intestinal vorkommenden pathogenen Stämme werden anhand ihrer Virulenzfaktoren auch in verschiedene Pathotypen eingeteilt (LIOR 1994):
EPEC – enteropathogene E. coli ETEC – enterotoxische E. coli EIEC – enteroinvasive E. coli
EHEC – enterohaemorrhagische E. coli EAggEC – enteroaggregative E. coli 2.3.1 Virulenzfaktoren
Adhäsionsfaktoren
Auf und in der äußeren Hülle des Bakteriums befinden sich Strukturen, die zur Anheftung (Adhäsion) an Epithelzellen dienen (BEACHEY 1981). Die Einteilung in verschiedene Serovare erfolgte nach ihrer Fähigkeit, Erythrozyten zu agglutinieren und nach den Rezeptoren, an die sie binden (KLEMM 1985). Die Nomenklatur ist nicht immer einheitlich, zunächst fand eine Einteilung in K-Antigene (abgeleitet von Kapsel; KAUFFMANN 1947) und O-Antigene (Lipopolysaccharid-Antigene auf der Oberfläche der Bakterien) Anwendung. ØRSKOV und ØRSKOV (1983) berücksichtigen zusätzlich Fimbrienantigene (F) bei der Typisierung, wodurch es zum Teil zu Überschneidungen kam (z. B. K 88 ≙ F4, K 99 ≙ F5).
Toxine
Bei den Enterotoxinen werden zwei Typen – das hitzelabile (LT) und das hitzestabile Toxin (ST) – unterschieden (GYLES u.BARNUM 1969;SMITH u.GYLES 1970).
Es gibt zwei Varianten des
LT
, welche als LTI und LTII beschrieben werden, allerdings kommt meist das LTI vor. Dabei handelt es sich um ein oligomeres Protein, dessen Größe etwa 88 kDa beträgt und aus einer A- und fünf B- Untereinheiten besteht (HOFSTRA u.WITHOLT 1985). Nachdem das Toxin an eine Gangliosidoseeinheit der Zellmembran gebunden hat (GRIFFITHS et al.1986), wird über einen Anstieg der Adenlylatcyclase oder von Prostaglandin (PGE2) die Sekretion von Chlorid aus den Kryptepithelzellen verstärkt sowie die Absorption von Natrium- und Chloridionen an den Darmzotten herabgesetzt. Dem so steigenden osmotischen Druck folgt ein Flüssigkeitseinstrom in das Darmlumen (FIELD et al.1989a, b).Beim hitzestabilen Toxin werden ebenfalls STI und STII unterschieden.
STI
ist resistent gegen hohe Temperaturen (100 °C für 30 min) und proteolytische Enzyme (SMITH u. HALLS 1967), jedoch empfindlich gegenüber alkalischen pH- Werten. Es bindet im Dünndarm (Jejunum, Ileum) an spezifische Rezeptoren der Bürstensaummembran. Anhand eines bisher nicht bekannten Mechanismus wird durch die Aktivierung der Guanylatcyclase die Natrium-gekoppelte Chlorid- Absorption an den Zottenspitzen gehemmt und gleichzeitig die Sekretion von Chloridionen der Kryptepithelzellen stimuliert (FORTE et al.1992). Zusätzlich zu den Rezeptoren im Dünndarm wiesen MEZOFF et al.(1992) eine deutlich höhere Zahl an Toxinrezeptoren im Dickdarm von Ratten nach, sodass die Tiere neben der erhöhten Sekretion von Flüssigkeit im Dünndarm auch eine geringere Wasserrückresorption im Colon aufwiesen. In Untersuchungen an unterernährten Tieren konnte bei gleicher Rezeptordichte und -bindung eine längere Sekretionsphase als bei gut genährten Tieren nachgewiesen werden (COHEN et al.1992). Über die Wirkung von
STII
ist bisher wenig bekannt. Dieses Enterotoxin ist vor allem beim Schwein und hier insbesondere in der Altersgruppe derAbsetzferkel nachweisbar (93 % der ETEC von abgesetzen Ferkeln in Dänemark waren STII positiv; HANDL et al. 1992). Neben histologisch diagnostizierten Epithelschäden, welche die Flüssigkeitsabsorption beeinträchtigen (WHIPP 1987), beobachteten WEIKEL et al. (1986) eine aktive Sekretion von Hydrogencarbonat (HCO3
-).
2.3.2 Diagnostische Merkmale
Die Anzucht von E. coli kann auf Blutagar erfolgen. Nach 24 h Bebrüten bei 37° C wachsen mittelgroße, graue bis gelbliche, feuchte, erhabene Kolonien, die glatt- randig oder gezackt sein können. Die meisten pathogenen E. coli beim Schwein spalten Hämoglobin, sodass eine deutliche Hämolysezone (β-Hämolyse) entsteht.
Ebenso wie alle Enterobacteriaceae ist E. coli Oxidase-negativ. Unterscheiden lassen sie sich, vor allem von Salmonella spp. und Shigella spp., durch die Fähigkeit, Laktose zu Glukose und Galaktose zu spalten, da sie über das Enzym β-Galaktosidase verfügen (BETTELHEIM 1994). Kulturell kann diese Reaktion auf Selektivnährböden, wie z. B. Gassner-Agar, genutzt werden.
E. coli kann bei Schweinen unterschiedliche Krankheitsbilder in den verschiedenen Altersstufen hervorrufen. Im folgenden soll eine kurze Darstellung der wichtigsten Erkrankungen erfolgen. Der Schwerpunkt liegt auch hier beim Durchfall der Absetzferkel, da dieser für die vorliegende Arbeit von besonderer Bedeutung ist.
2.3.3 Ödemkrankheit
Es handelt sich dabei um eine etwa 2 Wochen nach dem Absetzen der Ferkel auftretende Erkrankung, die in betroffenen Betrieben mit teilweise massiven Verlusten einhergeht. Die Krankheitsdauer betrug in Untersuchungen von KERNKAMP et al.(1965) etwa acht Tage. Sie wird von unterschiedlichen Serovaren hervorgerufen. Meist sind E. coli - Stämme verursachend, die F18ab-Fimbrien
tragen und das α-Hämolysin produzieren; allen ist gemeinsam, dass sie das sogenannte Shiga-like-Toxin 2e (STx2e) bilden (KONOWALCHUK et al. 1977;
GANNON et al.1988;MOXLEY 2000). Die Symptome treten erst auf, wenn das Toxin in die Blutbahn gelangt (MACLEOD et al.1991).
Klinisch zeigen die meist gut entwickelten Ferkel auffällige Ödeme an Augen, Nasenrücken und Bauch. Kommt es zur Ödembildung in Organen wie Lunge und/oder Gehirn, treten Dyspnoe bzw. zentralnervöse Störungen auf (MACLEOD et al.1991).
Die Impfung der Ferkel mit Toxoidimpfstoff (meist bestandsspezifisch) wird seit einiger Zeit vermehrt durchgeführt. Eine Selektion bei der Zucht auf Tiere, die den Rezeptor für F18ab-Fimbrien nicht ausprägen, erwies sich bisher als schwierig.
Die antibiotische Behandlung einer Colienterotoxämie sollte mit nichtsteroidalen Antiphlogistika kombiniert werden (MOXLEY 2000;WIELER u.EWERS 2011;SIDLER et al.2013).
Bei allen E. coli - bedingten Erkrankungen bei Absetzferkeln sind generell – sowohl prophylaktisch als auch therapeutisch – die bei der PWD näher erläuterten diätetischen Maßnahmen und Supplementationen anzuwendende Optionen.
2.3.4 Saugferkeldurchfall
Bei unzureichender Kolostrumversorgung oder anderweitig bedingter mangelhafter Versorgung mit entsprechenden maternalen Antikörpern sind Ferkel insbesondere in den ersten Tagen nach der Geburt anfällig für eine Infektion mit Escherichia coli, welche zu schwerem Durchfall führen kann. Die Erkrankung kann einige Ferkel im Wurf bis hin zu ganzen Würfen oder sogar ganzen Abferkelgruppen betreffen. Es handelt sich bei den verursachenden E. coli vornehmlich um Serovare, welche die Fimbrienadhäsine F4, F5, F6 und F41 tragen (ALEXANDER 1994). Die Symptome können von leichtem Durchfall bis hin zu wässrigem, gelblichem Kot einer
sekretorischen Diarrhoe mit deutlicher Exsikkose variieren. Wenn keine sekundären Infektionen des Darmtraktes hinzukommen, bleiben pathologisch- anatomische Veränderungen an der Darmschleimhaut aus (WENDT et al.2013).
Da die Ferkel, wenn sie intensiv betroffen sind, schnell aufhören, bei der Muttersau zu saugen und gleichzeitig einen hohen Flüssigkeits- und Elektrolytverlust erleiden, ist eine Rehydratation die wichtigste Maßnahme bei der Behandlung des Saugferkeldurchfalls. Prophylaktisch sollte besonders auf eine entsprechende Betriebshygiene geachtet werden. Außerdem besteht die Möglichkeit, eine Impfung der Muttersauen (Mutterschutzvakzine) im letzten Drittel der Trächtigkeit vorzunehmen, sodass die Ferkel maternale Antikörper über das Kolostrum aufnehmen können (WIELER u. EWERS 2011). Die ausreichende Kolostrumaufnahme der Ferkel sollte kontrolliert werden.
2.3.5 Post Weaning Diarrhoea (PWD)
PWD ist eine weltweit bei Ferkeln meist in der ersten Woche nach dem Absetzen auftretende Durchfallerkrankung. Da in der vorliegenden Untersuchung mit einer experimentellen Infektion eines E. coli - Stammes gearbeitet werden soll, der in der Praxis PWD auslöste, wird an dieser Stelle ausführlicher auf den Erreger und das dazugehörige Krankheitsbild eingegangen.
HINTON et al. (1985) konnten einen Anstieg hämolytischer E. coli im Dünndarminhalt von Schweinen nach dem Absetzen verzeichnen, der unabhängig vom Alter der Tiere zum Absetzen und dem Auftreten von PWD zu beobachten war. Die klinische Erkrankung der Tiere hängt meist mit „Stressfaktoren“ wie dem Absetzen mit gleichzeitig auftretender Futterumstellung zusammen (RICHARDS u. FRASER 1961), sodass von einer multifaktoriellen Genese ausgegangen werden kann.
Ätiologie
PWD wird vornehmlich von enterotoxischen E. coli (ETEC) verursacht. Das bedeutet, dass diese Serovare an die Darmschleimhaut binden und Toxine produzieren, die für die Entstehung des Durchfalls verantwortlich sind.
Untersuchungen von FRYDENDAHL (2002) zeigten außerdem, dass 87,8 % der Serovare Hämolysine bilden. Die vorherrschend beteiligten Adhäsine sind die Fimbrien F4 und F18 (FRYDENDAHL 2002). Während F18 ausschließlich bei Absetzferkeln Durchfall verursacht, kann F4 sowohl bei Saugferkeldurchfall als auch bei Absetzferkeldurchfall nachgewiesen werden. Außerdem konnten NGELEKA et al.(2003) ein weiteres, afimbriales Adhäsin (AIDA) nachweisen, welches allein oder in Kombination mit F18 vorkommt. Das Vorhandensein von Rezeptoren für die unterschiedlichen Fimbrien variiert in der Schweinepopulation insgesamt und auch je nach Alter der Schweine, sodass die Möglichkeit einer Resistenz gegen einige Serovare besteht (FRANCIS et al.1999;FRYDENDAHL et al.2003). Allein oder in Kombination können auch die Fimbrien F5, F6 und F41 nachgewiesen werden, welche jedoch vornehmlich bei Serovaren im Zusammenhang mit dem Saugferkeldurchfall vorkommen (KWON et al.2002). Die Toxine, die bei der PWD den Durchfall auslösen, sind in unterschiedlichen Kombinationen vorhanden. LT, STI und STII können einzeln oder gemeinsam produziert werden.
Klinischer Verlauf
Tiere, die gesund von der Sau abgesetzt werden, zeigen wenige Tage später wässrigen bis gelb-gräulichen Durchfall. Da zusätzlich ein deutlicher Rückgang der Futter- und Wasseraufnahme auftritt (RICHARDS u. FRASER 1961), kommen die betroffenen Tiere schnell in eine schlechte körperliche Verfassung. Symptomatisch äußert sich die Erkrankung in einem spitzen Rücken und gleichzeitig einem tonnigen Abdomen, zittern, anziehen der Beine unter den Körper und struppigem
Haarkleid. Während die Tiere nach der Infektion mit dem Erreger selten perakut versterben, beträgt die Mortalität – bei sehr hoher Morbidität – i. d. R. 10 %, kann jedoch auf bis zu 25 % ansteigen (HAMPSON 1994; WENDT et al. 2013). Häufig bleiben die Tageszunahmen auch nach dem Abklingen der Infektion reduziert (FAIRBROTHER et al.2005).
Pathologisch-anatomische Veränderungen
Wie auch beim Saugferkeldurchfall fehlen häufig pathohistologische Veränderungen an der Darmschleimhaut. Nur in Einzelfällen, wenn die Tiere einen Endotoxin-Schock erleiden, können Hyperämien der Darmmukosa, meist in Kombination mit einer Ödematisierung, auftreten. Auffällig ist allerdings ein dilatierter Dünndarm mit wässrigem Inhalt. Mikroskopisch kann eine Ansammlung von Bakterien auf der Darmschleimhaut festgestellt werden (WENDT et al.2013).
Therapie
Da betroffene Tiere schnell von einem hohen Flüssigkeitsverlust betroffen sind, ist die Rehydratation (oral, parenteral) und der Ausgleich des Elektrolythaushaltes die wichtigste Therapiemaßnahme.
Da diese Isolate von E. coli häufig Resistenzen gegen einen oder mehrere Wirkstoffe zeigen (GANNON et al. 1988; FAIRBROTHER et al. 2005), ist eine antibiotische Therapie oft schwierig und nur nach Resistenztest einzuleiten.
Schwer erkrankte Ferkel sollten zunächst parenteral behandelt werden, die weitere Verabreichung der Medikamente kann auch oral (mit Futter oder Wasser) vorgenommen werden. Bei der antibiotischen Therapie ist des Weiteren darauf zu achten, dass ein Endotoxin-Schock eintreten kann, der vornehmlich bei sehr schwachen Tieren auftritt, die keine Futteraufnahme mehr zeigen.
Prophylaxe
Die Rezeptoren für die Fimbrienadhäsine F18 oder F4 (F4ab, F4ac, F4ad) können bei Schweinen fehlen, sodass diese eine Resistenz gegen verschiedene Serovare aufweisen (FRANCIS et al. 1999; FRYDENDAHL et al. 2003). Eine Möglichkeit zur Prophylaxe von E. coli - Durchfall besteht also in der Zucht resistenter Schweine.
Der Rezeptor für F18 ist ein definierter Bereich auf Chromosom 6 (VÖGELI et al.
1996; MEIJERINK et al. 1997), und das Allel für „empfänglich“ wird dominant vererbt (BERTSCHINGER et al. 1993). Im Gegensatz dazu gibt es verschiedene Untereinheiten des Rezeptors für das F4-Fimbrium, welche außerdem auf unterschiedlichen Genorten lokalisiert sind. Somit ist es zwar möglich, durch die Zucht die Empfänglichkeit für Infektionen mit E. coli, welche das F18-Fimbrium tragen, zu verhindern, jedoch nicht für Stämme mit F4-Fimbrien.
Die aktive oder passive Immunisierung von Ferkeln ist eine weitere Möglichkeit zur Vorbeugung klinischer Erkrankungen. So führt die Injektion von F4-Fimbrien zur Bildung von IgA-Antikörpern (VAN DER STEDE et al.2002). Einige Vakzine scheinen jedoch durch Erzeugen einer systemischen Immunantwort die lokale Immunreaktion der Mukosa zu behindern und somit die Infektion zu fördern (BIANCHI et al. 1996). Anstelle von Fimbrien können auch Toxoidimpfstoffe eingesetzt werden (z. B. zur Prophylaxe der Ödemkrankheit). Mit einer Mutterschutzimpfung (gegen Saugferkeldurchfall) kann ebenfalls ein Antikörperschutz gegen E. coli aufgebaut werden. Die unterschiedlichen Vakzinen können auch als bestandsspezifische Impfstoffe auf den jeweiligen Betrieb abgestimmt werden.
Sowohl prophylaktisch als auch therapeutisch sollten die Ferkel nach dem Absetzen zunächst eher restriktiv gefüttert werden und der Rohfasergehalt im Futter sollte mindestens 6 % entsprechen. Ein Tier/Fressplatzverhältnis von 1 : 1, sowie ausreichende Wasserversorgung ist vorbeugend als günstig zu bewerten.
Der Proteingehalt sollte auf maximal 18 % reduziert werden (KAMPHUES et al.
2014), wobei eine entsprechende Aminosäurezufuhr sichergestellt werden muss.
Eine antibakterielle Wirkung auf pathogene E. coli durch die Zugabe von Zinkoxid im Futter ist bei Dosierungen von 2400 - 3000 ppm beschrieben (HOLM u.POULSEN 1996). Diese hohen Gaben von Zink als Futterzusatzstoff sind jedoch umweltbelastend und nach deutschem Futtermittelrecht nicht erlaubt (Gesamtgehalt max. 150 mg Zn/kg Futter). Die Supplementation des Futters mit organischen Säuren (einzeln oder als Säurengemisch) fördert die Tageszunahmen und reduziert Durchfall (PWD), sodass ETEC im Kot nicht mehr nachgewiesen werden konnte (TSILOYIANNIS 2001). Gleiche Effekte konnten KIERS et al.(2003) nach Fütterung von Probiotika (mit Rhizopus microsporus oder Bacillus subtilis fermentierte Sojabohnen) beobachten.
2.4 Effekte verschiedener diätetischer Maßnahmen auf den Gastrointestinaltrakt
Die Ziele einer Beeinflussung verschiedener Parameter des GIT durch die Fütterung sind vielfältig. Neben der Förderung der Futteraufnahme zur Ermöglichung hoher Zunahmen sollten Futter und Fütterung auch in ihrer Bedeutung für die „Darmgesundheit“ bedacht werden. Dabei gibt es diverse Möglichkeiten, „diätetisch“ auf die residente Mikroflora sowie pathogene Organismen einzuwirken. Eine Auswahl dieser Möglichkeiten soll im Folgenden näher beschrieben werden.
2.4.1 Futterstruktur
Der Magen ist der erste Teil des GIT, in dem oral aufgenommene Substanzen (z. B. Futter, Wasser, Mikroorganismen) für eine gewisse Zeit verweilen. Somit kommt dem Magen eine bedeutende Barrierefunktion zu. Durch den Einsatz eines
grob vermahlenen Futters, welches als Schrot angeboten wird, kann sich im Magen eine gut geschichtete „Futtermatte“ entwickeln. Gleichzeitig entsteht ein pH-Gradient vom Mageneingang über den Fundusbereich zum Pylorus. Im Gegensatz hierzu führen fein vermahlene oder konfektionierte Futtermittel (pelletiert, extrudiert) zu einem flüssigen und homogen durchmischten Mageninhalt (u. a. MIKKELSEN et al. 2004; BETSCHER 2010; WINTERMANN 2011; BULLERMANN 2012). Die durch eine grobe Futterstruktur geförderten Milieubedingungen (Durchsäuerung der Ingesta mit entsprechenden pH-Wert-Gradienten, Modifikation der residenten Mikroflora, verzögerte Passage,…) können für einige Mikroorganismen, die oral aufgenommen werden, eine Barriere auf dem Weg in den Darm darstellen. Bei der in vitro simulierten Passage des Fundusbereiches des Magens zeigte sich für Salmonellen ein deutlicher Einfluss der Futterstruktur (und der daraus resultierenden unterschiedlichen Bedingungen im Mageninhalt):
Während nach Fütterung der „Spendertiere“ mit einem groben Schrot nach 60- minütiger Inkubation keine kultivierbaren Salmonellen mehr nachgewiesen werden konnten, kam es nach Verwendung eines fein vermahlenen pelletierten Mischfutters sogar zu einem Keimwachstum im Mageninhalt (MIKKELSEN et al.
2004; KOOP 2013). Im Gegensatz hierzu konnte von KOOP (2013) eine orale Infektionsroute für Streptococcus suis weitestgehend ausgeschlossen werden, da dieses Pathogen unabhängig von der Futterstruktur im in vitro-Ansatz im Mageninhalt bereits nach wenigen Minuten nicht mehr nachweisbar war.
Zusätzlich kann durch die Fütterung die Magengesundheit, d. h. die Entstehung von Magengeschwüren beeinflusst werden. Durch die geringere Magenfüllung und den geringeren TS-Gehalt der Mageningesta nach der Aufnahme fein vermahlenen oder konfektionierten Futters, steigt die Inzidenz von Magenulcera (u. a.
FRIENDSHIP 2006; KÖTTENDORF 2009; MÖSSELER et al. 2014). MÖSSELER et al.
(2014) folgern aus den Ergebnissen ihrer Untersuchungen, dass bei flüssigem
