Nutritional strategies to reduce methane emissions in dairy cows using in vitro technique

Il recente scenario del riscaldamento climatico globale, ha portato ad un maggiore interesse dell’opinione pubblica riguardo ai gas che causano l’effetto serra, ponendo particolare attenzione al gas metano (CH4 ) e alla sua relazione con il settore zootecnico. Per questa ragione, numerosi gruppi di ricerca hanno proposto delle strategie nutrizionali per ridurre le emissioni di CH4 da parte dei ruminanti. Nella presente tesi sono stati sviluppati due obiettivi principali. Il primo riguardava lo studio dei fattori metodologici che influenzano la produzione in vitro del CH4 e lo sviluppo di un nuovo approccio per la misurazione dello stesso gas prodotto durante delle fermentazioni in vitro. In secondo luogo, si è inteso valutare l’efficacia di alcune strategie nutrizionali sulla riduzione della produzione di CH4 . Tali obiettivi sono stati raggiunti attraverso cinque diverse attività di ricerca. Nel primo lavoro è stato valutato l’effetto che specifici fattori metodologici possono avere sulla produzione in vitro di gas e di CH4 (espresso sia in termini di produzione che di proporzione). Questa analisi è stata effettuata attraverso un approccio di meta-analisi utilizzando 274 osservazioni, che rappresentavano i trattamenti di controllo di 39 articoli scientifici pubblicati negli ultimi 12 anni. I fattori considerati erano: la pressione che si forma nello spazio di testa dello strumento utilizzato per le fermentazioni in vitro (costante o incrementale), il tempo di incubazione (24 o ≥48 ore), il momento di raccolta del liquido ruminale (prima o dopo la somministrazione del pasto agli animali donatori), la presenza di azoto nella composizione della saliva artificiale (presenza o assenza), e il rapporto tra la miscela di liquido ruminale e saliva artificiale sul campione alimentare incubato (130 or 130-140 or >140 ml/g DM). Questi cinque fattori sono stati considerati come variabili discrete, invece il contenuto di NDF del campione alimentare incubato (392 ± 175.3 g/kg) è stato considerato come variabile continua. I risultati hanno mostrato che la produzione totale di gas è principalmente influenzata dal tempo di incubazione, mentre la produzione di CH4 è influenzata soprattutto dal rapporto tra la miscela di liquido ruminale e saliva artificiale sul campione alimentare incubato. Quando invece il CH4 viene espresso in termini di proporzione sul gas totale prodotto, i valori sono principalmente influenzati dal momento di raccolta del liquido ruminale. Inoltre, questa meta-analisi dimostra che i fattori considerati spiegavano una parte considerevole (circa il 65 %) della variabilità dei dati di gas e CH4 prodotti durante le fermentazioni in vitro. Quindi, sarebbe desiderabile una maggiore standardizzazione dei protocolli metodologici internazionali, in modo da facilitare il confronto di dati ottenuti in diversi sperimentazioni. Il secondo contributo sperimentale ha inteso mettere a punto una procedura di raccolta e di misurazione del CH4 prodotto, utilizzando due diverse tipologie di fermentazione in vitro: i) un “sistema aperto”, con sfiato regolare del gas all’interno di un sacchetto connesso alle bottiglie di fermentazione, dal quale viene prelevato il campione di gas per l’analisi del CH4 ; ii) un “sistema chiuso”, con accumulo progressivo dei gas di fermentazione nello spazio di testa delle bottiglie, dal quale viene prelevato il campione per l’analisi del CH4 . Per le fermentazioni sono stati usati cinque alimenti singoli utilizzati nell’alimentazione dei ruminanti (fieno polifita, loietto, farina di mais, panello di lino e polpe di bietola). Il disegno sperimentale prevedeva: 2 incubazioni × 5 alimenti × 3 replicazioni per alimento × 2 tecniche di campionamento del gas, più 4 bianchi (bottiglie incubate senza campione alimentare), per un totale di 64 bottiglie incubate. Metà delle bottiglie non venivano sfiatate, mentre le rimanenti venivano sfiatate a pressione fissa e il gas era raccolto in un sacchetto a tenuta connesso ad ogni bottiglia. Alla fine di ogni incubazione, il gas veniva campionato dallo spazio di testa delle bottiglie utilizzate per il sistema chiuso o dallo spazio di testa e dal sacchetto delle bottiglie utilizzate per il sistema aperto. Tutti i campioni sono stati poi analizzati per quantificare la concentrazione di CH4 . I valori di gas prodotto venivano o meno corretti per la quantità di CO2 che si era disciolta nel liquido di fermentazione. I valori di produzione (ml CH4 /g DM) e di proporzione (ml CH4 /100 ml gas) di CH4 sono stati calcolati utilizzando i valori corretti o non corretti di produzione di gas totale. Il sistema chiuso ha mostrato una produzione di gas totale non corretto inferiore (-18%) rispetto al sistema aperto, mentre la correzione del gas ha ridotto ma non rimosso le differenze tra le due tecniche. Le bottiglie chiuse hanno mostrato una proporzione di CH4 non corretto superiore (+23%) rispetto al sistema aperto, mentre la correzione ha ridotto ma non rimosso le differenze tra le due tecniche. La produzione di CH4 corretto non è stata influenzata dalla tecnica utilizzata. Concludendo, il sistema chiuso non offre buone misurazioni della produzione del gas, mentre il sistema aperto consente una valutazione attendibile sia del gas che del CH4 prodotto. Nel terzo contributo sperimentale è stato valutato l’effetto che le variazioni quantitative dei principali componenti chimici (rapporto amido:ADF, contenuto proteico e contenuto lipidico) di diete per vacche da latte, posso avere sulla produzione di gas e CH4 . Le variazioni sono state fatte tenendo conto degli intervalli di fibra, amido, proteina e lipidi effettivamente utilizzate negli allevamenti intensivi del Nord Italia. La dieta di riferimento utilizzata aveva la seguente composizione chimica: 273, 361, 158, e 33 g/kg SS di amido, NDF, CP, e lipidi, rispettivamente. Le altre 6 diete avevano un minore o maggiore rapporto di amido:ADF (0.40 or 1.77, rispettivamente), o di contenuto proteico (115 or 194 g/kg DM, rispettivamente), o di contenuto lipidico (26 or 61 g/kg DM, rispettivamente), rispetto alla dieta di riferimento. Il disegno sperimentale prevedeva: 4 incubazioni × 7 diete × 5 replicazioni per dieta, più 20 bianchi (bottiglie incubate senza campione alimentare), per un totale di 160 bottiglie incubate. Il gas prodotto veniva regolarmente sfiatato a pressione fissa e alla fine di ogni incubazione un campione di gas veniva raccolto dallo spazio di testa delle bottiglie e veniva analizzato per misurare la concentrazione di CH4 . La quantità di CH4 perso durante lo sfiato del gas di fermentazione è stata stimata. I risultati mostrano che all’aumentare del rapporto amido:ADF si riduce la produzione di gas (per g di SS e per g di degradabilità "vera" della SS), aumenta la produzione di CH4 (per g di SS), mentre la produzione di CH4 espressa come g di degradabilità "vera" della SS non varia. All’aumentare del contenuto proteico si riduce la produzione di gas, mentre la proporzione di CH4 è stata ridotta solo nella dieta ipoproteica. L’aumento del contenuto lipidico ha ridotto la produzione di gas (per g di SS), ma non ha influenzato i valori di CH4 . Si può quindi concludere che l'entità degli effetti, esercitati dalle variazioni quantitative dei principali componenti chimici delle diete sulla fermentazione in vitro, è stata quasi inesistente. Il quarto lavoro ha inteso valutare l’effetto di quattro estratti puri di piante (allil-sulfide, cinnamaldeide, eugenolo e limonene) e di un composto sintetico (monensin), tutti con proprietà antimicrobiche, utilizzati come additivi di una dieta per vacche da latte, sulla produzione di gas e CH4 . Sono stati utilizzati due diversi dosaggi: 3 or 30 mg/g di per gli estratti puri di piante, 0.015 or 0.030 mg/g di dieta per il monensin. Le procedure di incubazioni utilizzate erano le stesse dell’esperimento precedente. Il disegno sperimentale prevedeva: 4 incubazioni × 5 additivi × 2 dosaggi × 3 replicazioni, più 12 bianchi (bottiglie incubate senza campione alimentare, 3 per incubazione), e 12 controlli (dieta incubata senza additivi, 3 per incubazione) per un totale di 144 bottiglie incubate. I risultati hanno mostrato che tutti i composti testati con il basso dosaggio non hanno mai influenzato la produzione in vitro di gas e CH4 . Rispetto al controllo, gli alti dosaggi di allil- sulfide, cinnamaldeide, eugenolo, limonene, e monensin hanno ridotto significativamente la produzione in vitro di gas (ml/g DM; -16%, -12%, -9%, -38%, -12%, rispettivamente). La produzione in vitro di CH4 è stata significativamente ridotta solo dell’alto dosaggio di allil-sulfide, cinnamaldeide, limonene, e monensin (-32%, -12%, -43%, -18%, rispetto al controllo). Solo gli alti dosaggi di allil- sulfide e limonene hanno ridotto significativamente anche la proporzione di CH4 (-18% e -12% rispetto al controllo). I risultati più promettenti sono stati osservati per la cinnamaldeide, che ha depresso la produzione CH4 senza influenzare negativamente gli altri parametri fermentativi. Il quinto e ultimo contributo sperimentale ha valutato la possibilità di ridurre la produzione in vitro di gas e CH4 attraverso la combinazione di un diretto inibitore del CH4 (cloroformio) con due inibitori indiretti: i) i nitrati, che agiscono come accettori di idrogeno e ii) le saponine, dei noti agenti antiprotozoari. L’esperimento è stato condotto utilizzando un sistema di simulazione ruminale a flusso semi-continuo (RUSITEC®). Una dieta base è stata incubata singolarmente (dieta 1) o addizionata con 31.5 g/ kg di nitrati (dieta 2) o con 50 g/kg saponine ottenute dall’estratto d’edera (dieta 3). Queste tre diete sono state incubate senza o con l’aggiunta di cloroformio (2 µL/L), ottenendo un totale di 6 trattamenti testati. Ogni trattamento è stato incubato in quattro bottiglioni, per un totale di 24 bottiglioni. L’intera incubazione è durata 21 giorni. I risultati mostrano che la produzione totale di gas (in media 2.56 l/d) non è stata influenzata dalla dieta o dalla presenza del cloroformio. Quando utilizzati singolarmente, cloroformio, nitrati e saponine riducono la produzione giornaliera di CH4 del 96, 66 e 22%, rispettivamente. Nonostante ciò, quando il cloroformio era combinato con inibitori indiretti, non si è evidenziato nessun effetto addizionale sulla riduzione di CH4 prodotto. Concludendo, si può quindi affermare che nessun effetto sinergico è emerso tra l’inibitore diretto di CH4 e i due inibitori indiretti.