Unravelling the potential role of microalgae as an alternative feed supplement for ruminants: in vitro and in vivo approaches

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2022-12-20
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For years, nutritional scientists have tried to unravel the underlying mechanisms governing ruminant energy and nitrogen metabolism and how they could be manipulated to improve utilisation efficiency of these essential nutrients at farm level. To explore these concepts and their interrelationships on energy utilisation below (Km) and above (Kf) maintenance and tissue protein accretion at whole animal level, a literature review was conducted using the intragastric infusion technique as a model. Results showed that animal (physiological age, weight, sex, species) and feed (volatile fatty acids composition, level of feeding, feed degradability and processing) factors influence the response in nitrogen retention to ingested energy and protein. In contrast to the assumptions in current feeding systems, ruminants can utilise endogenous energy reserves to fuel tissue protein accretion if low degradable protein sources are fed. Production efficiency and tissue protein retention can also apply to indigenous breeds fed on local, industrial by-products or low-quality feed supplements. It was concluded that current feeding systems are constrained by their inability to accurately predict the response to ingested feed nutrients. Indeed, energy and protein are the most limiting nutritional factors for ruminant production and knowledge of the nutritional composition of novel or underexploited feeds is required to ensure their efficient use as a supplement in sustainable on-farm feeding strategies. In this context, the potential role of eukaryotic microalgae as a novel ruminant feed was critically reviewed, by addressing its nutritional and functional value and impact on rumen ecosystem and function, microbial population and diet digestibility, intake and feed conversion efficiency. Microalgae were shown to have rich but variable macro- and micronutrient contents with bioactive metabolites such as polyunsaturated fatty acids, pigments and trace elements with known antimicrobial, antioxidant and immunomodulatory effects. Protein content, amino acid profile and low degradability in some species may be beneficial for high production animals but dry matter intake is hindered by the low palatability and digestibility. Variability in in vitro rumen fermentation parameters were related to inter-species differences in cell structure and composition but the influence of basal diet, microalgae species, supplementation rate and/or their interactions were yet to be defined. To explore interaction effects on in vitro fermentation parameters, two basal substrates comprised of maize silage and haylage were supplemented with 0, 2.5, 5 and 10% (dry matter basis) of one freshwater (Chlorella vulgaris) and two marine (Nannochloropsis oceanica and Tetraselmis sp.) microalgae species and incubated for 24-h with rumen inocula. Interaction effects on most fermentation parameters were observed between basal substrate and microalgae species. Contrasting effects of C. vulgaris supplementation to maize silage or haylage suggest differences in protein:energy synchronism limiting fermentation with less fermentable substrates. Methanogenesis was affected by a microalgae species and supplementation level interaction, falling with N. oceanica at 10% probably due to polyunsaturated fatty acids contents. No significant triple, or substrate and supplementation level interactions were observed but non-adapted inoculum was used. Rumen adaptation to microalgae and its impact on rumen fermentation parameters are still in their infancy, thus an in vivo and in vitro approach was taken. Two dry cows were fed a maize silage-based total mixed ration with 0% (control) or 1% (dry matter basis) microalgae (C. vulgaris or N. oceanica) for 4 weeks. Microalgae-adapted inoculum reduced in vivo volatile fatty acids production, suggesting a compromised fermentation. Fermentation extent and profile were unaffected by a microalgae supplementation and adaptation period interaction. After 4 weeks adaptation, rumen inoculum was collected and incubated with maize silage with 0% (control) or 5% (dry matter basis) C. vulgaris or N. oceanica for 24-h in vitro. Fermentation parameters and methanogenesis were differently affected by microalgae supplementation, inoculum adaptation and/or its interaction. In vitro microalgae supplementation reduced fermentation yet contrasting effects were observed on methanogenesis. Inoculum adaptation to microalgae affected most parameters, particularly when adapted to N. oceanica. An interaction of microalgae and inoculum adaptation to C. vulgaris was shown for total volatile fatty acids production and hydrogen generated and consumed, but no interaction was observed for N. oceanica adapted inoculum. Species-specific effects on rumen fermentation were revealed, suggesting differential effects on rumen microbial ecosystem. Further studies are required to better understand microalgae adaptation since host governance may dictate the nature of and extent to which adaptation related effects are manifested over longer supplementation periods.
Ao longo dos anos, os nutricionistas têm tentado perscrutar os mecanismos dos metabolismos energético e azotado dos ruminantes, bem como poderão ser manipulados, no sentido de melhorar a eficiência de utilização dos nutrientes. Como ponto de partida, foi realizada uma revisão para explorar esses conceitos e as suas inter-relações na utilização de energia, tomando como modelo a técnica de infusão intragástrica. Os resultados mostraram que os fatores animal (idade fisiológica, peso, sexo, espécie) e dieta (nível de alimentação, degradabilidade, processamento da dieta e ácidos gordos voláteis originados) influenciam a resposta na retenção azotada à energia e proteína ingeridas. Contrariamente ao assumido nos sistemas de alimentação atuais, os ruminantes podem utilizar reservas de energia endógena para fomentar a deposição proteica, se alimentados com fontes proteicas de baixa degradabilidade. A eficiência da produção e a retenção azotada podem, também, ser aplicadas a raças autóctones alimentadas com subprodutos locais e agroindustriais de baixa qualidade. Concluiu-se que os sistemas de alimentação atuais são incapazes de prever, com precisão, a resposta aos nutrientes ingeridos. A energia e proteína são os nutrientes mais limitantes para a produção de ruminantes, sendo crucial o conhecimento da composição nutricional de novos alimentos para inclusão em estratégias de alimentação sustentáveis. Neste contexto, o potencial das microalgas eucarióticas como um novo alimento para ruminantes foi revisto, abordando os seus valores nutricional e funcional, assim como o impacto na função ruminal. As microalgas são fontes, embora variáveis, de macro e micronutrientes e compostos bioativos, como ácidos gordos polinsaturados, pigmentos e oligoelementos com efeitos antimicrobianos, antioxidantes e imunomoduladores. O teor em proteína, o perfil de aminoácidos e a baixa degradabilidade de algumas espécies podem ser benéficos para animais de alta produção, conquanto a ingestão de matéria seca possa ser prejudicada pela baixa palatabilidade. A variabilidade nos parâmetros de fermentação ruminal in vitro foi relacionada com diferenças na estrutura e na composição celular entre espécies, embora permanecessem por elucidar a influência da dieta base, das espécies de microalgas, da taxa de suplementação e/ou das suas interações. Na tentativa de explorar os efeitos destas interações nos parâmetros de fermentação, dois substratos base (silagem de milho e feno silagem) foram suplementados com 0, 2,5, 5 e 10% (em matéria seca) de microalgas de água doce (Chlorella vulgaris) e marinhas (Nannochloropsis oceanica e Tetraselmis sp.) e incubados in vitro, durante 24-h, com inóculo ruminal. A maioria dos parâmetros de fermentação foram afetados pela interação entre substrato e espécie de microalga. Os efeitos contrastantes da suplementação de silagem de milho ou feno silagem com C. vulgaris sugerem diferenças na sincronização entre proteína e energia, sendo a fermentação limitada com substratos menos fermentáveis. A metanogénese foi afetada pela interação entre espécie e nível de suplementação de microalgas, sendo menor com N. oceanica a 10%, possivelmente pelo teor em ácidos gordos polinsaturados. Não foram observadas interações tripla ou entre substrato e nível de suplementação, contudo foi utilizado inóculo não adaptado. A adaptação do rúmen a microalgas e o seu impacto nos parâmetros de fermentação estão parcamente estudadas, tendo sido adotada uma dupla abordagem: in vivo e in vitro. Duas vacas secas foram alimentadas com alimento completo à base de silagem de milho com 0% (controlo) ou 1% (em matéria seca) de microalgas (C. vulgaris ou N. oceanica) durante 4 semanas. A produção de ácidos gordos voláteis in vivo foi reduzida pela adaptação a microalgas, sugerindo uma fermentação limitada. A extensão e o perfil de fermentação não foram afetados pela interação entre suplementação de microalgas e período de adaptação. Após 4 semanas de adaptação, o inóculo ruminal foi recolhido e incubado com silagem de milho com 0% (controlo) ou 5% (em matéria seca) de C. vulgaris ou N. oceanica, durante 24-h, in vitro. Os parâmetros de fermentação e a metanogénese foram afetados de forma diferente pela suplementação de microalgas, adaptação do inóculo e/ou interação. A suplementação de microalgas reduziu a fermentação in vitro, mas efeitos opostos foram observados na metanogénese. A adaptação do inóculo a microalgas afetou a maioria dos parâmetros, principalmente quando adaptado a N. oceanica. A produção de ácidos gordos voláteis e hidrogénio gerado e consumido foram afetados pela interação entre suplementação de microalga e inóculo adaptado a C. vulgaris, mas não a N. oceanica, sugerindo efeitos diferenciais no ecossistema microbiano ruminal. Estudos futuros serão necessários para melhor compreender a adaptação a microalgas na função ruminal, porquanto o hospedeiro poder ditar a natureza e a extensão da manifestação dos efeitos relacionados à adaptação em períodos de suplementação mais longos.
Descrição
This work was produced as original work for the degree of Doctor in Animal Science at the University of Trás-os-Montes and Alto Douro
Palavras-chave
Alternative feed , energy
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