Cifras
Resumen
La macroalga roja (alga marina) Asparagopsis spp. ha demostrado reducir la producción de metano entérico (CH 4 ) en rumiantes hasta un 99 % in vitro . El objetivo de este estudio fue determinar el efecto de Asparagopsis taxiformis sobre la producción de CH 4 (g/día por animal), rendimiento (g CH 4 /kg consumo de materia seca (MSD)) e intensidad (g CH 4 /kg ADG) ; ganancia diaria promedio (ADG; kg de ganancia/día), eficiencia de conversión alimenticia (FCE; kg ADG/kg DMI) y calidad de la canal y la carne en novillos de carne en crecimiento. Veintiún novillos de carne Angus-Hereford se asignaron al azar a uno de tres grupos de tratamiento: 0 % (control), 0,25 % (bajo) y 0,5 % (alto) A . taxiformis inclusión basada en la ingesta de materia orgánica. Los novillos fueron alimentados con 3 dietas: alta, media y baja ración total mixta (TMR) de forraje que representan las dietas de la etapa de vida de los novillos de carne en crecimiento. Los tratamientos Bajo y Alto durante 147 días redujeron el rendimiento de CH 4 entérico en un 45 y un 68 %, respectivamente. Sin embargo, hubo una interacción entre el tipo de TMR y la magnitud de la reducción del rendimiento de CH 4 . La suplementación con TMR de forraje bajo redujo el rendimiento de CH 4 en un 69,8 % ( P <0,01) para los tratamientos Bajo y en un 80 % ( P <0,01) para los tratamientos Alto. El rendimiento de hidrógeno (H 2 ) (g H 2 /DMI) aumentó ( P <0.01) 336 y 590% en comparación con el Control para los tratamientos Bajo y Alto, respectivamente. El rendimiento de dióxido de carbono (CO 2 ) (g CO 2 /MSD) aumentó un 13,7 % entre los tratamientos Control y Alto (P = 0,03). No se encontraron diferencias en ADG, calidad de la canal, análisis proximal de lomo y fuerza de corte, o preferencias de gusto del consumidor. El DMI tendió a disminuir un 8% ( P = 0,08) en el tratamiento Bajo y el DMI disminuyó un 14% ( P <0,01) en el tratamiento Alto. Por el contrario, FCE tendió a aumentar un 7 % en el tratamiento Bajo ( P = 0,06) y aumentó un 14 % en el tratamiento Alto ( P <0,01) en comparación con el Control. La reducción persistente de CH 4 por A . La suplementación con taxiformis sugiere que este es un aditivo alimenticio viable para disminuir significativamente la huella de carbono del ganado rumiante y potencialmente aumentar la eficiencia de la producción.
Cita: Roque BM, Venegas M, Kinley RD, de Nys R, Duarte TL, Yang X, et al. (2021) La suplementación con algas rojas (Asparagopsis taxiformis) reduce el metano entérico en más del 80 % en novillos de carne. PLoS ONE 16(3): e0247820. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0247820
Editor: James E. Wells, Departamento de Agricultura de los Estados Unidos, Servicio de Investigación Agrícola, ESTADOS UNIDOS
Recibido: 13 de agosto de 2020; Aceptado: 13 de febrero de 2021; Publicado: 17 de marzo de 2021
Copyright:
Disponibilidad de datos: todos los datos relevantes se encuentran en el documento y sus archivos de información de respaldo.
Financiamiento: Esta investigación recibió apoyo financiero de Elm Innovations, la Fundación David y Lucile Packard y la Fundación Grantham. El apoyo financiero solo se utilizó para cubrir los costos de realizar el experimento. Los financiadores no tuvieron ningún papel en el diseño del estudio, la recopilación y el análisis de datos, la decisión de publicar o la preparación del manuscrito'.
Conflicto de intereses: Los autores han declarado que no existen conflictos de intereses.
Introducción
La producción ganadera, en particular los rumiantes, contribuye a las emisiones antropogénicas de gases de efecto invernadero (GEI) a nivel mundial. Estas emisiones se estiman en 7,1 Gt de dióxido de carbono (CO 2 ) equivalentes al año, lo que representa aproximadamente el 14,5 % de las emisiones antropogénicas mundiales de GEI . La mayoría de las emisiones de GEI de la producción ganadera se dan en forma de metano (CH 4 ), que se produce principalmente a través de la fermentación entérica y, en menor medida, de la descomposición del estiércol. Las emisiones de CH 4 entérico no solo contribuyen a las emisiones totales de GEI de la agricultura, sino que también representan una pérdida de energía de hasta el 11 % del consumo de energía alimentaria . Por lo tanto, la reducción de las emisiones de CH 4 entérico disminuye la contribución agrícola total al cambio climático y puede mejorar la productividad a través de la conservación de la energía de alimentación. Hay potencial para la mitigación de las emisiones de CH 4 entérico a través de una variedad de enfoques con un enfoque en el uso de aditivos para piensos, la manipulación de la dieta y la calidad del forraje .
Los aditivos alimentarios utilizados en la mitigación del CH 4 pueden modificar el entorno del rumen o inhibir directamente la metanogénesis, lo que da como resultado una menor producción de CH 4 entérico (g/día por animal) y rendimiento (g/kg de ingesta de materia seca ). Se han informado reducciones en la producción de CH 4 del ganado vacuno, a través de la inhibición directa de la metanogénesis, para aditivos alimentarios al 22, 93 y 98 % para compuestos nitro de cadena corta (3-nitrooxipropanol; 3-NOP, ) , compuestos halogenados sintéticos y compuestos halogenados sintetizados naturalmente en algas marinas , respectivamente. El compuesto 3-NOP inhibe la enzima metil-coenzima M reductasa (MCR) que cataliza el paso final de la metanogénesis en las arqueas del rumen . Los análogos de CH 4 halogenados, como el bromoformo, actúan en la misma vía de metanogénesis al unirse y secuestrar el grupo prostético requerido por MCR para formar CH 4 . Algunos haloalcanos son análogos estructurales de CH 4 y, por lo tanto, inhiben competitivamente las reacciones de transferencia de metilo que son necesarias en la biosíntesis de CH 4 . Estos análogos de CH 4 incluyen bromoclorometano (BCM), bromoformo y cloroformo y han demostrado ser los más efectivos para reducir la producción de CH 4. Se demostró una reducción del 93 % de CH 4 en el ganado Brahman con una inclusión de BCM en el alimento a 0,30 g/100 kg de peso vivo dos veces al día durante 28 días; sin embargo, el consumo de alimento, el aumento de peso, la calidad de la canal o la eficiencia alimenticia no fueron estadísticamente diferentes . Por el contrario, Abecia et al. (2012) informaron que la inclusión de BCM a 0,30 g/100 kg una vez al día disminuyó la producción de CH 4 en un 33 % y aumentó la producción de leche en un 36 % . Los autores especularon que el aumento de la producción de leche en las vacas tratadas con BCM podría atribuirse a un cambio hacia una mayor producción de propionato en el rumen, que es un sumidero de hidrógeno (H 2 ) y proporciona más energía en comparación con otros ácidos grasos volátiles. Sin embargo, queda por confirmar la eficacia a largo plazo de los análogos de CH 4 en el rumen. Por ejemplo, Tomkins et al. (2009) informaron de un segundo experimento que resultó en una reducción de CH 4 del 57,6% después de 30 días de tratamiento, que es mucho menor que las reducciones encontradas durante los primeros 28 días . Además, el cloroformo administrado a vacas lecheras fistuladas fue eficaz para reducir la producción de CH 4 entérico a través de la reducción de la abundancia y la actividad de las arqueas metanogénicas, pero solo durante un período de 42 días .
Los tipos de alimentos también pueden afectar la producción de CH 4 al proporcionar diferentes sustratos a las poblaciones microbianas que son los impulsores de la producción de ácidos grasos volátiles (AGV) en el rumen. Hay formas de influir en los tipos de AGV producidos en el rumen cambiando los tipos de alimento en la dieta . Esto es importante por dos razones; Los primeros AGV se utilizan como fuente de energía para la productividad animal y las segundas vías de AGV, como la producción de propionato, pueden utilizar equivalentes reductores que normalmente se trasladarían a la metanogénesis . Los concentrados contienen carbohidratos no estructurales, como el almidón y el azúcar, que se fermentan rápidamente, lo que reduce el pH, lo que afecta negativamente a las poblaciones metanogénicas y es una forma eficaz de aumentar la producción de propionato . Los forrajes contienen carbohidratos estructurales, como la fibra detergente neutra (FDN), y se han relacionado con una mayor producción de CH 4 . A medida que aumenta la FDN en la dieta, el pH del rumen también aumenta, lo que da como resultado una producción preferencial de acetato sobre propionato, lo que genera equivalentes reductores que luego se utilizan en la ruta de la metanogénesis . El contenido de fibra en los alimentos juega un papel importante en la producción de CH 4, incluido el impacto en la eficacia de los compuestos antimetanogénicos, como el 3-NOP y el bromoformo que se dirigen específicamente a la MCR . Esta hipótesis se basa en la suposición de que cuando se alimentan con dietas ricas en granos, la FDN disminuye y es probable que la concentración de MCR en el rumen disminuya, lo que otorga una mayor eficacia a los compuestos antimetanogénicos para atacar una mayor proporción de MCR, lo que resulta en mayores reducciones de metano .
Algunas algas rojas son antimetanogénicas, particularmente el género Asparagopsis , debido a su capacidad para sintetizar y encapsular análogos de CH 4 halogenados, como bromoformo y dibromoclorometano, dentro de células glandulares especializadas como mecanismo de defensa natural . En un proceso de selección para identificar el potencial de reducción de CH 4 de macroalgas seleccionadas en Australia, se demostró que Asparagopsis taxiformis es la especie más prometedora con una reducción del 98,9 % de CH 4 cuando se aplica al 17 % de MO in vitro . Aunque ese nivel de inclusión de algas marinas no es práctico para la producción ganadera, estudios posteriores demostraron niveles de inclusión efectivos por debajo del 2,0 % de MO para Asparagopsis in vitro sin afectar las concentraciones totales de AGV o la digestibilidad del sustrato. Solo hay dos estudios publicados que midieron la reducción de CH 4 al complementar Asparagopsis en las dietas del ganado. Se informaron reducciones en CH 4 de hasta 98% cuando A . taxiformis (que contiene 6,6 mg de bromoformo/g de DMI) se complementó con 0,2 % de MO en un TMR de corral de engorde de alta concentración . En productos lácteos, se observó una reducción de CH 4 del 67 % cuando se complementó Asparagopsis armata (a 1,3 mg de bromoformo/g de DMI) al 1 % de MO durante un período de alimentación de dos semanas . Las diferencias en la eficacia entre los dos estudios fueron la concentración de bromoformo en las algas cosechadas de forma natural y la formulación de la dieta (grano alto versus grano bajo) . un taxiformis reduce el CH 4 con mayor eficacia en comparación con inclusiones similares de bromoformo puro in vitro , probablemente debido a múltiples análogos antimetanogénicos del CH 4 que funcionan sinérgicamente en las macroalgas . Además, A. taxiformis sintetiza múltiples antimetanogénicos CH 4 análogos como bromo- y yodometanos y etanos y que las especies metanógenas son diferencialmente sensibles a los inhibidores de CH 4 .
Para que la industria adopte las algas, es crucial que se mantenga o mejore la calidad de la carne. Al igual que con cualquier aditivo para piensos, la alimentación de A . taxiformis al ganado tiene el potencial de alterar la calidad, la ternura, el sabor y la aceptabilidad de la carne por parte del consumidor. El marmoleado, por ejemplo, impacta directamente en el sabor y la jugosidad y se ha demostrado que el marmoleado puede influir directamente en la preferencia del consumidor con algunos dispuestos a pagar una prima .
Presumimos que un efecto antimetanogénico significativo de A . taxiformis 1.) persistiría a lo largo de los períodos de introducción, transición y finalización en un escenario típico de corral de engorde de res, 2.) no tendría efectos perjudiciales sobre la productividad animal o la calidad de la carne y 3.) no contendría residuos de bromoformo en la carne y el hígado estaría presente .
materiales y métodos
Este estudio fue aprobado por el Comité Institucional de Cuidado y Uso de Animales de la Universidad de California, Davis (Protocolo No. 20803).
Diseño del estudio, animales y dietas.
Veintiún novillos cruzados Angus-Hereford, bloqueados por peso, se asignaron aleatoriamente a uno de tres grupos de tratamiento: 0 % (Control, n = 7), 0,25 % (Bajo, n = 7) y 0,5 % (Alto, n = 7). n = 6) tasas de inclusión de A . taxiformis basado en la ingesta de MO. El número desequilibrado de novillos entre los grupos de tratamiento se debió a una lesión animal inesperada durante las últimas tres semanas del ensayo, por lo que todos los datos de este novillo se eliminaron del análisis estadístico. Los novillos utilizados en este estudio se obtuvieron de Shasta Livestock Auction Yard (Cottonwood, CA), los cuales procedían del mismo rancho y tenían aproximadamente 8 meses de edad y pesaban aproximadamente 352 ± 9 kg al comienzo de la prueba. Cada novillo se asignó aleatoriamente a un corral individual, equipado con su propio comedero, y se alimentó dos veces al día a las 06:00 y las 18:00 horas con el 105 % de la ingesta del día anterior.
El experimento siguió un diseño completamente aleatorizado, con un período de covariable de 2 semanas, utilizado como período de referencia, antes de que comenzara el tratamiento, seguido de intervalos de recopilación de datos de 3 semanas durante 21 semanas; un total de 147 días (Fig. 1). Durante los intervalos de recolección de datos, los gránulos de alfalfa ofrecidos a través del dispositivo de medición de gas (sistema GreenFeed, C-Lock, Inc., Rapid City, SD) se incluyeron como parte de la ingesta diaria de alimento. Los novillos fueron alimentados con 3 dietas durante el estudio; TMR de forraje alto (dieta de inicio; 63 días), medio (dieta de transición; 21 días) y bajo (dieta de finalización; 63 días), que son los TMR típicos de la etapa de vida de los novillos de carne en crecimiento (Tabla 1). Se recolectaron muestras de las tres dietas y gránulos de alfalfa una vez por semana y bolsas de A . taxiformis fueron muestreados aleatoriamente y analizados (Tabla 2) para contenido de materia seca, fibra de detergente ácido, NDF, lignina, almidón, grasa cruda, nutrientes digeribles totales y minerales (Cumberland Valley Analytical Services, Waynesboro, PA). A los novillos se les ofreció agua ad libitum .
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Fig. 1. Línea de tiempo experimental que incluye el período de la covariable, la implementación de Asparagopsis taxiformis , el régimen dietético y los intervalos de medición de gases de efecto invernadero.
https://doi.org/10.1371/journal.pone.0247820.g001
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Cuadro 1. Ingredientes de la dieta experimental con concentraciones de forraje altas, medias y bajas (% de MS).
https://doi.org/10.1371/journal.pone.0247820.t001
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Cuadro 2. Composición nutricional de las dietas experimentales, Asparagopsis taxiformis y pellets de alfalfa.
https://doi.org/10.1371/journal.pone.0247820.t002
El A. taxiformis utilizado como aditivo para piensos fue proporcionado por la Organización de Investigación Científica e Industrial de la Commonwealth (CSIRO) de Australia. Las algas fueron recolectadas durante la fase de gametofito de Humpy Island, Keppel Bay, QLD (23o13'01"S, 150o54'01"E) por el Centro de Recursos de Macroalgas y Biotecnología de la Universidad James Cook, Townsville, Queensland, Australia. Una vez recolectada, la A . taxiformis se congeló, almacenó a -15 °C, luego se secó por congelación en Forager Food Co., Red Hills, Tasmania, Australia, y luego se molió usando un mezclador Hobart D340 (Troy, OH, EE. UU.) y un tamiz de 3 mm. La inclusión total de algas varió de 46,7 a 55,7 g/día para el tratamiento bajo y de 76,1 a 99,4 g/día para el tratamiento alto. Las algas utilizadas en el estudio contenían bromoformo en una concentración de 7,8 mg/g de peso seco según lo determinado por Bigelow Analytical Services (East Boothbay, ME, EE. UU.). Para aumentar la palatabilidad y la adhesión al alimento, se mezclaron 200 ml de melaza y 200 ml de agua con A . taxiformis suplemento, luego la melaza-agua- A . La mezcla de taxiformis se incorporó homogéneamente a la TMR, mezclando a mano, para cada animal de tratamiento. El grupo de Control también recibió 200 ml de melaza y agua con su alimentación diaria para asegurar A . taxiformis fue la única diferencia entre los tres tratamientos.
Recolección y análisis de muestras
Las emisiones de gas metano, CO 2 y H 2 de los novillos se midieron utilizando el sistema GreenFeed (C-Lock Inc., Rapid City, SD, EE. UU.). Las emisiones de gases se midieron durante el período de covariable (línea de base) y el período experimental durante las semanas 3, 6, 9, 12, 15, 18 y 21. En cada período de medición, los datos de emisión de gases se recopilaron durante 3 días consecutivos de la siguiente manera: a partir de 0700, 1300 y 1900 horas (día de muestreo 1); 0100, 1000 y 1600 horas (día de muestreo 2); y 2200 y 0400 horas (día de muestreo 3). Las muestras de gases eructados de cada novillo se tomaron al azar en cada grupo de tratamiento. La máquina GreenFeed se movió manualmente a cada corral de bueyes donde se permitió que el buey ingresara a la máquina por elección y se indujo a comer de la máquina durante 3 a 5 minutos, seguido de una recolección de muestra de gas de fondo de 2 minutos. Se usó una unidad GreenFeed para todas las muestras de emisiones de gases y tomó aproximadamente 140 minutos completar cada punto de tiempo. El sistema GreenFeed se calibró antes de cada período de medición con una mezcla de gases estándar que contenía (mol %): 5000 ppm CO 2 , 500 ppm CH 4 , 10 ppm H 2 , 21 % O 2 y nitrógeno como equilibrio (Air Liquide America Specialty Gases , Rancho Cucamonga, CA). Las tasas de recuperación de CO 2 , CH 4 y H 2 observadas en este estudio estuvieron dentro de +/? 3% de las cantidades conocidas de gas liberado. Se ofrecieron gránulos de alfalfa en cada evento de muestreo como alimento de cebo y se mantuvieron por debajo del 10 % del DMI total durante cada período de medición de 3 días. La composición de los gránulos de alfalfa se muestra en la Tabla 2. Los residuos de alimento se recolectaron diariamente antes de la alimentación de la mañana para determinar la ingesta del día anterior. El consumo de alimento y los costos de alimentación se registraron diariamente y el peso corporal (BW) se midió una vez por semana, utilizando un conducto de compresión hidráulico modelo Silencer Ranch (Dubas Equipment Stapleton, NE) equipado con una báscula, a las 0500 antes de la alimentación de la mañana para reducir la variabilidad debido al llenado intestinal. .
Después de completar la prueba de alimentación, los 20 novillos se enviaron a una planta empacadora comercial inspeccionada por el USDA (Cargill Meat Solutions, Fresno, California) para su matanza. El día del sacrificio, los novillos fueron marcados y seguidos durante todo el proceso. El primer día, se recogieron los hígados, se colocaron en bolsas de congelación etiquetadas individualmente y se almacenaron en hielo seco hasta que se colocaron en un congelador a -20 °C. Las canales fueron envejecidas durante 48 horas en un enfriador grande y luego clasificadas por un calificador certificado por el USDA. Inmediatamente después de la clasificación, las canales se enviaron a fabricación, donde se cortó la tira de lomo del lado izquierdo de cada canal y se guardó para su posterior análisis. Los 20 filetes de lomo se envasaron al vacío, luego se almacenaron en hielo y se transportaron de vuelta a la Universidad de California, Davis, donde se envasaron en cryovac y se almacenaron a 4 °C en la oscuridad durante 14 días. Después de 14 días de envejecimiento, los lomos se cortaron en bistecs (2,45 cm de grosor) y se envasaron al vacío individualmente y se almacenaron a -20 °C. Bigelow Analytical Services (East Boothbay, ME, EE. UU.) analizó muestras de filetes e hígados para determinar las concentraciones de bromoformo siguiendo un protocolo modificado descrito por Paul et al. (2009) . Los límites de detección y cuantificación de bromoformo fueron 0,06 mg/kg y 0,20 mg/kg, respectivamente. Midwest Labs (Omeha, Nebraska) también analizó los bistecs para un análisis proximal de humedad (AOAC 950.46), proteína (AOAC 992.15), grasa (AOAC 991.36), ceniza (AOAC 900.02, 920.155, 920.153), calorías (21 CFR P101. 9), carbohidratos (100 -Humedad-Proteína-Grasa-Ceniza) y concentración de yodo (USP 233).
Para probar la ternura objetiva, se midieron la fuerza de corte del corte (SSF) y la fuerza de corte de Warner-Brazler (WBSF) siguiendo el protocolo descrito por . Un filete de cada animal se descongeló durante la noche y se cocinó a una temperatura interna de 71°C. Dentro de 1 a 2 minutos después de la cocción, los SSF se midieron utilizando un analizador de textura de máquina (TMS Pro Texture Analyzer, Food Technology Corporation, Sterling, VA, EE. UU.) con una cruceta a una velocidad de 500 mm/minuto. Para probar la WBSF, los bistecs cocidos se enfriaron a 4 °C durante la noche y luego se cortaron cuatro núcleos con una prensa de taladro WEN de 5 velocidades y 8 pulgadas de un bistec de cada animal paralelo a la orientación de la fibra muscular. La WBSF se midió utilizando el analizador de textura TMS Pro con una cuchilla Warner Bratzler (2,8 mm de ancho) y una cruceta a una velocidad de 250 mm/minuto. Se registraron las fuerzas máximas promedio para los cuatro núcleos.
Se realizó un panel sensorial de consumidores en UC-Davis. Los bistecs se descongelaron a 4 °C durante 24 horas y luego se cocinaron a una temperatura interna de 71 °C utilizando una concha George Foreman (Spectrum Brands, Middleton, WS, EE. UU.). La temperatura interna se tomó del centro geométrico de cada filete utilizando un termómetro de termopar K (AccuTuff 351, modelo 35100, Cooper-Atkins Corporation, Middlefield, CT, EE. UU.). Después de la cocción, los bistecs se dejaron reposar durante 3 minutos y luego se cortaron en trozos de 1,5 cm ^{3} . A cada bistec se le asignó aleatoriamente un número único de tres dígitos, se colocó en recipientes de vidrio cubiertos con papel de aluminio y luego se almacenó en un calentador de alimentos aislado (Carlisle modelo PC300N03, Oklahoma, OK, EE. UU.) durante más de 30 minutos antes del comienzo de cada evaluación sensorial. sesión. Un total de 112 participantes evaluaron muestras de bistec durante una de las 5 sesiones realizadas durante un período de 4 días. Cada participante evaluó un total de tres muestras de bistec, una de cada grupo de tratamiento, con un mínimo de dos piezas de 1,5 cm 3 por bistec. Se pidió a cada participante que evaluara la ternura, el sabor, la jugosidad y la aceptación general utilizando una escala hedónica de 9 puntos (1 = Me disgusta muchísimo y 9 = Me gusta muchísimo).
análisis estadístico
El análisis estadístico se realizó utilizando el software estadístico R (versión 3.6.1; The R Foundation for Statistical Computing, Viena, Austria). Se utilizó el procedimiento de modelos lineales de efectos mixtos (lme) con el novillo como unidad experimental. Los datos de emisiones de GreenFeed se promediaron por novillo y período de medición de gas, que luego se utilizaron en el análisis estadístico. El modelo estadístico incluyó el tratamiento, la dieta, las interacciones tratamiento × dieta y el término de covariable, con el término de error asumido como normalmente distribuido con media = 0 y varianza constante. El animal individual se utilizó como efecto aleatorio, mientras que todos los demás factores se consideraron fijos. Los datos se analizaron como medidas repetidas con una estructura de correlación autorregresiva 1. Se estableció significancia estadística cuando P ? 0,05 y tendencia a 0,05 P ? 0,10. Los datos de evaluación sensorial del consumidor se analizaron mediante la prueba de Kruskal-Wallis. Se utilizó la prueba de Dunn con ajuste del valor de P siguiendo los métodos de Bonferroni para las comparaciones por pares post-hoc.
Los datos de ingesta de materia seca (DMI) y costo por kg de ganancia (CPG) se promediaron por semana y se usaron en el análisis estadístico. La ganancia diaria promedio (GMD) se calculó restando el peso corporal inicial del peso corporal final y luego dividiendo por el número de días experimentales para cada régimen de dieta y la duración del estudio (es decir, 63 días con TMR alta en forraje (iniciador), 21 días con TMR media en forraje). (transición) TMR, luego 63 días con bajo contenido de forraje (finalización) TMR con una duración total del estudio de 147 días). La eficiencia de conversión alimenticia (FCE) se calculó dividiendo ADG por DMI para cada régimen de dieta y la duración del estudio. Las emisiones de dióxido de carbono (CO 2 ), CH 4 y H 2 se informan como producción (g/día), rendimiento (g/kg DMI) e intensidad (g/kg ADG).
Resultados
Parámetros de gases
Las emisiones como producción (g/día), rendimiento (g/kg DMI) e intensidad (g/kg ADG) de gases CH 4 , H 2 y CO 2 de los novillos en los tres grupos de tratamiento (Control, Bajo, y alta) se presentan en la figura 2 (para la duración del ensayo) y en la tabla 3 (divididos por los tres regímenes dietéticos). Inclusión de A. taxiformis en la TMR tuvo una reducción lineal significativa en la producción, el rendimiento y la intensidad del CH 4 entérico. Durante el período experimental, la producción, el rendimiento y la intensidad de CH 4 disminuyeron en un 50,6 y 74,9 %, 45 y 68 % y 50,9 y 73,1 % para los tratamientos Bajo y Alto, respectivamente, en comparación con el Control. La producción, el rendimiento y la intensidad de hidrógeno aumentaron significativamente en 318 y 497 %, 336 y 590 % y 380 y 578 % en los tratamientos Bajo y Alto, respectivamente, durante la duración del experimento. Los factores de producción e intensidad de dióxido de carbono (CO 2 ) no se vieron afectados por los tratamientos Bajo o Alto, sin embargo, la producción de CO 2 fue significativamente mayor en el tratamiento Alto en comparación con el Control ( P = 0,03).
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Fig. 2. Efectos de la inclusión de Asparagopsis taxiformis en las emisiones de metano, hidrógeno y dióxido de carbono durante un período de 147 días.
Medias, desviaciones estándar y diferencias estadísticas de la producción de metano, hidrógeno y dióxido de carbono (g/d) (A1,B1,C1), rendimiento (g/kg consumo de materia seca (DMI)) (A2,B2,C2), e intensidad (ganancia diaria promedio g/kg) (A3, B3, C3) para 0%, 0,25% (bajo) y 0,50% (alto) de inclusión de Asparagopsis taxiformis . Las medias dentro de un gráfico con diferentes alfabetos difieren ( P < 0.05).
https://doi.org/10.1371/journal.pone.0247820.g002
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Cuadro 3. Efecto de la inclusión de Asparagopsis taxiformis al 0.25% (Bajo) y 0.5% (Alto) de materia orgánica en el alimento sobre las emisiones de gases entéricos usando dietas altas, medias y bajas en forraje.
https://doi.org/10.1371/journal.pone.0247820.t003
Se observó una interacción entre la formulación de la dieta y la magnitud de la reducción de CH 4 y la formación de H 2 para los factores de producción, rendimiento e intensidad (Cuadro 3). Producción, rendimiento e intensidad de metano en novillos en TMR de alto forraje y suplementados con A . taxiformis se redujo en 36,4 y 58,7 %, 32,7 y 51,9 %, y 36,9 y 56,4 % para los tratamientos Bajo y Alto, respectivamente. La producción, el rendimiento y la intensidad de hidrógeno aumentaron un 177 y un 360 %, un 198 y un 478 % y un 256 y un 524 % para los tratamientos Bajo y Alto, respectivamente. Producción, rendimiento e intensidad de metano en novillos alimentados con forraje medio TMR y suplementados con A . taxiformis se redujo en 51.8 y 86.8%, 44.6 y 79.7%, y 54.4% y 82.4%% para los tratamientos Bajo y Alto, respectivamente. Además, la producción, el rendimiento y la intensidad de H 2 aumentaron significativamente en un 326 y un 535 %, un 404 y un 753 % y un 341 y un 626 % para los tratamientos Bajo y Alto, respectivamente. Novillos alimentados con baja TMR de forraje y suplementados con A . taxiformis redujo la producción, el rendimiento y la intensidad de CH 4 en 72,4 y 81,9 %, 69,8 y 80,0 %, y 67,5 y 82,6 % para los tratamientos Bajo y Alto, respectivamente. Además, la producción, el rendimiento y la intensidad de H 2 aumentaron 419 y 618 %, 503 y 649 % y 566 y 559 % para los tratamientos Bajo y Alto, respectivamente. No se encontraron diferencias significativas en la producción, rendimiento o intensidad de CO 2 en ninguna de las tres dietas.
Parámetros de producción animal
Ingesta de materia seca (DMI), ADG, eficiencia de conversión alimenticia (ADG/DMI; FCE) y costo por ganancia ($USD/kg de ganancia de peso; CPG) según el impacto de los grupos de tratamiento (Control, Bajo y Alto) para todo el experimento El período de tiempo se presenta en la Tabla 4 y para los TMR individuales en la Tabla 5. El PC inicial, el PC final, el peso de la canal y el peso total ganado se muestran en la Tabla 4. Durante todo el experimento (Tabla 4), la DMI en el tratamiento Bajo tendió ( P = 0,08) para disminuir en un 8 % y el tratamiento alto DMI se redujo significativamente en un 14 % ( P < 0,01), mientras que no se observaron efectos significativos en ADG por los grupos de tratamiento bajo o alto en comparación con el control. Con la reducción de DMI en los tratamientos Bajo y Alto y ADG similar entre los 3 tratamientos, FCE tendió a aumentar un 7 % ( P = 0,06) en el tratamiento Bajo y aumentó un 14 % ( P < 0,01) en el tratamiento Alto. No se encontraron diferencias significativas entre el PC inicial, PC final, ganancias totales, GPC o peso de la canal entre los grupos Control y Tratamiento. Si bien no se encontraron diferencias significativas en CPG, hubo un diferencial de ganancia de $0,37 USD/kg entre Alto y Control y un diferencial de ganancia de $0,18 USD/kg entre Bajo y Control.
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Tabla 4. Efecto de la inclusión de Asparagopsis taxiformis al 0,25 % (bajo) y al 0,5 % (alto) de materia orgánica en el alimento sobre los parámetros de los animales de carne durante 21 semanas.
https://doi.org/10.1371/journal.pone.0247820.t004
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Cuadro 5. Efecto de la inclusión de Asparagopsis taxiformis al 0,25 % (bajo) y al 0,5 % (alto) de materia orgánica en el alimento sobre los parámetros de los animales de carne usando dietas altas, medias y bajas en forraje.
https://doi.org/10.1371/journal.pone.0247820.t005
También se encontraron disminuciones en el DMI en las tres dietas TMR diferentes (Tabla 5) donde los novillos alimentados con TMR de forraje alto y medio y el tratamiento Alto redujeron su DMI 18.5 ( P = 0.01) y 18.0% ( P < 0.01), respectivamente. No se observaron efectos significativos en ADG, CPG o FCE por los grupos de tratamiento bajo o alto durante las dietas TMR individuales. Además, los diferenciales de costo para el tratamiento Alto fueron de $0.29, $0.40 y $0.34 USD/kg de ganancia y para el tratamiento Bajo fueron de $0.15, $0.49 y $0.34 USD/kg de ganancia para las TMR de forraje alta, media y baja, respectivamente.
Parámetros de calidad de la canal y la carne
No hubo diferencia estadística entre los grupos de tratamiento para el área del ojo de la costilla (Tabla 6). No se encontraron efectos entre los tratamientos Control, Bajo y Alto en la humedad, proteínas, grasas, cenizas, carbohidratos o contenido calórico de los lomos de lomo (Tabla 6). Los valores promedio de WBSF para los grupos Control, Bajo y Alto fueron 2,81, 2,66 y 2,61 kg, respectivamente. Además, los promedios de SSF se midieron como 17,1 para el Control, 16,75 para los tratamientos Bajo y 17,4 kg para los tratamientos Alto. No se encontraron diferencias significativas ( P 0,05) en la resistencia a la fuerza de corte entre los grupos de tratamiento. Las puntuaciones medias de todos los atributos sensoriales (ternura, jugosidad y sabor) de los paneles de consumidores no fueron significativamente diferentes ( P 0,05) entre los grupos de tratamiento (Tabla 6). El panel de degustación consideró que todos los filetes, independientemente del grupo de tratamiento, eran moderadamente tiernos y jugosos. Esto fue consistente con el panel de degustación que indicó que les gustó moderadamente el sabor de todos los bistecs, independientemente del grupo de tratamiento. No hubo diferencia ( P 0,05) en la aceptabilidad general entre los grupos de tratamiento. Hubo un aumento lineal en las concentraciones de yodo tanto en Bajo ( P < 0,01) como en Alto ( P < 0,01) en comparación con el Control. Las concentraciones de yodo para el grupo de tratamiento de control estuvieron por debajo de los niveles de detección, que se establecieron en 0,10 mg/g (Tabla 6). Sin embargo, 5 de 7 novillos en el grupo de tratamiento Bajo tenían niveles de yodo por encima del nivel de detección con un tratamiento promedio de 0,08 mg/g ( P < 0,01). Se encontró que los 6 novillos del grupo de tratamiento Alto contenían niveles de yodo por encima del nivel de detección con niveles de concentración que oscilaban entre 0,14 y 0,17 mg/g con una media de 0,15 mg/g ( P < 0,01). Las concentraciones de bromoformo para todos los grupos de tratamiento estuvieron por debajo de los niveles de detección, que fueron de 0,06 mg/kg.
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Cuadro 6. Efecto de la inclusión de Asparagopsis taxiformis al 0,25 % (bajo) y al 0,5 % (alto) sobre la calidad de la canal, el análisis próximo, la fuerza de corte y la preferencia del panel de consumidores.
https://doi.org/10.1371/journal.pone.0247820.t006
Discusión
Producción, rendimiento e intensidad de metano entérico
Este estudio demostró que la inclusión dietética de A . taxiformis induce una reducción consistente y considerable en la producción de CH 4 entérico de novillos con una dieta típica de corral de engorde. El CH 4 entérico es el mayor contribuyente a las emisiones de GEI de los sistemas de producción ganadera. En este estudio se establecieron reducciones significativas en el rendimiento de CH 4, que está estandarizado por DMI, cuando Asparagopsis se complementa con dietas de ganado de carne y son similares a las reducciones encontradas en estudios previos . Mientras que las intensidades de CH 4 han sido previamente reportadas para vacas lecheras alimentadas con A . armata , este es el primer estudio para medir las diferencias de intensidad de CH 4 en ganado vacuno alimentado con A. taxiformis . Los informes de intensidad son importantes para determinar la cantidad de metano que se produce por unidad de producción para los sistemas de ganado rumiante. Existe la preocupación de que los aditivos para piensos y otros agentes reductores de CH 4 disminuyan en eficacia con el tiempo . This study provided evidence that the seaweed inclusion was effective in reducing CH 4 emissions, which persisted for the duration of the study of 147 days ( Fig 3). Notably, until this study the longest exposure to A . taxiformis had been demonstrated for steers in a study ending after a 90-d finishing period . To date, only three in vivo studies have been published using Asparagopsis spp. to reduce enteric CH 4 emissions in feedlot Brangus steers , lactating dairy cattle , and sheep . All studies show considerable yet variable reductions in enteric CH 4 emissions. The differences in efficacy are likely due to levels of seaweed inclusion, formulation of the diets, and differences in seaweed quality based on bromoform concentrations.
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Fig 3. Asparagopsis taxiformis inclusion effects on methane emissions during the 21 week experimental period.
Methane production (A) and methane yield (B) from beef steers supplemented with Asparagopsis taxiformis at 0%, 0.25%, and 0.5% of basal total mixed ration on an organic matter basis during the 21 week experimental period. Data points are treatment means for each gas collection timepoint and error bars represent standard errors.
https://doi.org/10.1371/journal.pone.0247820.g003
It has been previously hypothesized that NDF levels can also influence the rate at which CH 4 is reduced with the inclusion of inhibitors . In the current study, the magnitude of reductions in CH 4 production were negatively correlated (r 2 = 0.89) with NDF levels in the 3 diet regimens that contained 33.1% (high forage), 25.8% (medium forage), and 18.6% (low forage) NDF levels. Enteric CH 4 production was reduced 32.7, 44.6 and 69.8% in steers on the Low treatment and 51.9, 79.7, and 80.0% on High treatment with high, medium and low forage TMRs, respectively. The low forage TMR, containing the lowest NDF levels, was the most sensitive to the inclusion of A . taxiformis with CH 4 reductions above 70% at equivalent inclusion levels compared to the higher forage TMRs. Vyas et al (2018) showed similar trends of greater methane reduction potential in high grain, low NDF, diets in combination with the anti-methanogenic compound 3-NOP . It has been hypothesized to increase efficacy by a reduction in rumen MCR concentration when low NDF is fed, thus increasing the MCR targeting capability of the anti-methanogenic feed additive. An 80.6% reduction of CH 4 yield in sheep fed diets containing 55.6% NDF, however, the level of A . taxiformis intake by the sheep was unclear but was offered at 6 times the High treatment in our study . A 42.7% reduction in CH 4 yield was observed in lactating dairy cattle fed a diet containing 30.1% NDF at 1% inclusion rate of A . armata . The high forage TMR in our study had a similar NDF level to the dairy study, however, had approximately double the reduction of CH 4 , even when consuming 50% less seaweed. These differences relate to a large degree to the quality of seaweed in terms of the concentration of bromoform, which was 1.32 mg/g in the dairy study compared to 7.82 mg/g in the current study. The same collection of A . taxiformis was used in a previously published in vivo study focused on Brangus feedlot steers for a duration of 90 days . This seaweed had bromoform concentration of 6.55 mg/g, which was marginally lower than our study and may be due to variation in the collection, sampling, analysis techniques, or storage conditions. Despite the marginally lower bromoform concentration in the seaweed and using 0.20% inclusion rate of A . taxiformis on OM basis, the CH 4 yield was reduced by up to 98% in Brangus feedlot steers. The diet used by Kinley et al. (2020) included 30.6% NDF, which was similar to our high fiber diet . The greater efficacy of A . taxiformis in that study could be due to collective feed formulation differences such as the energy dense component of barley versus corn, which is typical of Australian and American feedlots, respectively. Additionally, it could be due to beneficial interaction with the ionophore, monensin, that was used in the Australian study. Monensin has not been used in any other feed formulation in other in vivo studies with the inclusion of Asparagopsis species. Use of monensin in diets has shown to decrease CH 4 yields by up to 6% in feedlot steers while also having an enhanced effect in diets containing greater NDF levels . A potential enhancing interaction of the seaweed with monensin is of great interest and further investigation will elucidate this potential that could have significant beneficial economic and environmental impact for formulated feeding systems that use monensin.
Enteric hydrogen and carbon dioxide emissions
Increases in H 2 yield have typically been recorded when anti-methanogenic feed additives are used, and with the addition of Asparagopsis species in dairy cattle (1.253.75 fold) and Brangus feedlot steers (3.817.0 fold) . Similar increases in H 2 yield have been reported in feed additives that reduce enteric CH 4 emissions targeting methanogens. For example, in lactating dairy cows supplemented with 3-NOP, H 2 yield increased 2371 fold . Bromochloromethane (BCM) fed to goats increased H 2 (mmol/head per day) 535 fold, while chloroform fed to Brahman steers increased H 2 yield 316 fold . Although feeding Asparagopsis spp . increased overall H 2 yield ( Fig 4), the magnitude was considerably lower (1.2517 fold) compared to alternative CH 4 reducing feed additives (5316 fold), with similar levels of reductions in CH 4 . This indicates that there may be a redirection of H 2 molecules that would otherwise be utilized through the formation of CH 4 and redirected into different pathways that could be beneficial to the animal. For example, increased propionate to acetate concentrations have been recorded in in vitro and in vivo using A . taxiformis and BCM for CH 4 mitigation which may indicate that some of the excess H 2 is being utilized for propionate production.
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Fig 4. Asparagopsis taxiformis inclusion effects on hydrogen emissions during the 21-week experimental period.
Hydrogen production (A) and Hydrogen yield (B) from beef steers supplemented with Asparagopsis taxiformis at 0%, 0.25%, and 0.5% of basal total mixed ration on an organic matter basis during the 21 week experimental period. Data points are treatment means for each gas collection timepoint and error bars represent standard errors.
https://doi.org/10.1371/journal.pone.0247820.g004
Similar to the lactating dairy cattle study with 1% A . armata supplementation , the CO 2 yield in the current study also increased in the High group ( Fig 2). However, in the current study no differences in CO 2 production were seen. Typically, CO 2 and H 2 are used in the methanogenesis pathway to form CH 4 thus increases in exhaled CO 2 is expected with the addition of anti-methanogenic compounds. The fact that only CO 2 yield increased may be due to decreases in DMI, which could have reduced overall CO 2 generation thus resulting in no increases seen in CO 2 production factors.
Animal production parameters
Dry matter intake reductions observed in this study were consistent with previous studies in lactating dairy cows where decreases in DMI were found to be 10.7 and 37.9% at 0.50 and 1.0% inclusion rate of A . armata , respectively. Decreases in DMI have also been reported in cattle fed other anti-methanogenic feed additives in a linear dose-response fashion. For example, Tomkins et al (2009) reported 3 to 19% reductions in DMI in steers supplemented with BCM at dosages between 0.15 and 0.60 g/100 kg live weight . Additionally, Martinez-Fernandez et al (2016) found 1.7 to 15% reductions in DMI when chloroform was directly applied to the rumen, through a rumen fistula, at dosages between 1 to 2.6 g/100g liveweight . In contrast, Kinley et al (2020) reported no significant differences in DMI at the highest A . taxiformis level of 0.20% . However, the inclusion level was less than our study's lowest inclusion rate, so based on previous experiment's observation of reduced DMI in a dose-response manner , it was expected to have lower effect on DMI. Decreases in DMI are normally associated with lower productivity due to lower levels of nutrients and dietary energy consumed. However, there was no significant difference in ADG between steers in the High treatment and Control (average 1.56 kg/day) groups despite consuming 14% less feed. The results were in agreement with a previous study , in which milk production was not compromised at a 0.5% OM inclusion level despite reductions in DMI. The FCE (ADG/DMI) increased significantly in High treatment group, suggesting that inclusion rates of A . taxiformis at 0.5% improves overall feed efficiency in growing beef steers. Since a large proportion of on farm costs is the purchase of feed, an improved feed efficiency is particularly exciting for producers to decrease feed costs w
