Application of an open circuit indirect calorimetry system for gaseous exchange measurements in small ruminant nutrition

Abstract

[EN] The main objective of this Thesis was to study the energy metabolism in small ruminants under different nutrition sceneries. As methodology we utilized indirect calorimetry instead of direct calorimetry or feeding trials. Within indirect calorimetry we worked with a portable open circuit gas exchange system with a head hood. This open circuit respiration system permitted completed the whole energy balance and evaluate the efficiency of utilization of the energy of the diet for different physiological circumstances as milk production in dairy goats or maintenance in sheep. Besides, we could quantify in each trial some of the wastes related to environmental pollution as CH4 emissions and excretion of nitrogen in feces and urine. In this thesis three experiments were designed, two in dairy goats and other in sheep as we described below. In the first experiment, digestibility, energy balance, carbon and nitrogen balance, milk performance, rumen parameters and milk fatty acids and metabolites were obtained. Metabolic cages and open circuit indirect calorimetry system were the methods applied. Treatments consist in two mixed diets with alfalfa as forage. Within the concentrate, oat grain was replaced with rice bran. No significant differences were found for metabolizable energy intake (MEI), 1254kJ/kg of BW0.75 on average, and heat production (HP); 640 kJ/kg of BW0.75 on average. No differences were obtained for milk production (2.2 kg/d on average) and milk fat was greater in the rice bran diet (6.9% vs. 5.3% for rice bran and oat diets, respectively). Energy balance was positive and milk metabolites correlated these found. Regards to CH4 emissions, determined in vivo by gas exchange indirect calorimetry, goats fed the rice bran significantly reduced methane production (23.2 g/d vs 30.1 g/d). In the second experiment, we also used two types of diets, but in this case we substituted the forage and maintained the same concentrate; in one of the diets a grass (Maralfafa [Pennisetum sp.]- M diet) was used as forage and in the other an extensively used leguminous (Alfalfa [Medicago sativa]- A diet). Methods and analysis were the same that in Experiment 1, and here we include metabolites in urine and blood plasma. The dry matter intake was higher for diet A (1.8 vs 1.6 kg/d, respectively) and digestibility coefficients were higher for diet M. However, no significant differences were shown in MEI (1089 kJ/kg of BW0.75, on average) and HP (639 kJ/kg of BW0.75on average). Higher milk yield was observed in A diet than M diet (1.8 vs. 1.7 kg/d, respectively) and metabolites in urine, plasma and milk indicated better use of diet A than M, while no differences in milk composition were found (5% of fat and 4.3% of protein). Methane production was higher for A diet (28.5 g/d) than M diet (25.9 g/d), although these differences were not statistically significant. In the third experiment, energy partition was compared in two sheep breeds (Manchega vs. Guirra) fed above maintenance. We fed again with mixed diets and metabolic cages, indirect calorimetry, nitrogen balance and integral calculus were the tools used for these energy partitioning approach. An approximation of division of heat production was done. ME for maintenence was estimated at 354 kJ/kg of BW0.75and day, on average for the two breeds. Basal metabolic rate was different between breeds; 270 vs. 247 kJ/kg of BW0.75for Guirra and Manchega, respectively.

[ES] El objetivo principal de esta tesis fue estudiar el metabolismo energético en pequeños rumiantes bajo diferentes escenarios de nutrición. Como metodología se utilizó la calorimetría indirecta en vez de calorimetría directa o pruebas de alimentación. Dentro de la calorimetría indirecta trabajamos con un sistema portátil de circuito abierto de intercambio de gases con una "urna" (Heat hood). Este sistema de circuito abierto de respiración nos permitió completar todo el balance energético y evaluar la eficiencia de la utilización de la energía de la dieta para diferentes estados fisiológicos como producción de leche en cabras u oveja en mantenimiento. Además fue posible cuantificar en cada ensayo algunas perdidas relacionadas con la contaminación ambiental como emisiones de CH4 y la excreción de nitrógeno en heces y orina. En esta tesis se diseñaron tres experimentos, dos en cabras en lactación y otro en ovejas como describimos a continuación. En el primer experimento se han determinado, digestibilidad, balance energético, balance carbono nitrógeno, producción de leche, parámetros ruminales, ácidos grasos y metabolitos en leche. Jaulas metabólicas y un sistema de circuito abierto de calorimetría indirecta fue el método aplicado. Los tratamientos consistieron en dos dietas mixtas con alfalfa como forraje y dentro del concentrado el grano de avena fue reemplazado por cilindro de arroz. No se encontraron diferencias significativas en la energía metabolizable ingerida (MEI) de 1254 kJ/kg PV0.75 en promedio y una producción de calor (HP) de 640 kJ/kg PV0.75 en promedio. La producción de leche no presentó diferencias significativas entre las dos dietas, (2,2 kg/den promedio), la grasa de la leche fue mayor en la dieta de cilindro de arroz (6,9% vs. 5,3% para cilindro de arroz y avena respectivamente). El balance energético fue positivo y correlacionado a los metabolitos en leche determinados. En cuanto a las emisiones de CH4, determinadas en vivo mediante el intercambio de gases por calorimetría indirecta, las cabras alimentadas con el subproducto redujeron significativamente la producción de metano (23,2 g / d vs 30,1 g / d.). En el segundo experimento, también utilizamos dos tipos de dietas, pero en este caso sustituimos los forrajes y mantuvimos el mismo pienso; en una de las dietas se utilizó como forraje una gramínea (Maralfafa [Pennisetum sp.] - dieta M) y en el otro una leguminosa de uso extendido (Alfalfa [Medicago sativa] - dieta A). Los métodos de análisis y análisis fueron los mismos que los utilizados en el Experimento 1, y se incluyeron además análisis de metabolitos en orina y plasma. La materia seca ingerida fue mayor para dieta A (1,8 vs 1,6 kg/d, respectivamente), los coeficientes de digestibilidad fueron mayores para la dieta M. Sin embargo, no se encontraron diferencias significativas en MEI (1089 kJ/kg PV0.75, en promedio) y HP 639 kJ/kg PV0.75, en promedio). La producción de leche fue mayor en la dieta A que la dieta M, (1,8 vs. 1,7 kg/d, respectively) y los metabolitos en orina, plasma y leche indican un mejor aprovechamiento de la dieta A. No se presentaron diferencias en la composición de la leche (5% de grasa and 4.3% de proteína). La producción de metano fue mayor para la dieta A (28,5 g/d) que para la dieta M (25,9 g/d), aunque estas diferencias no fueron estadísticamente significativas. En el tercer experimento se compararon la partición energética en dos razas de ovejas (Manchega vs. Guirra) en mantenimiento. Fueron alimentadas con dietas mixtas en jaulas metabólicas, calorimetría indirecta, balance carbono nitrógeno y cálculos integrales fueron las herramientas utilizadas para un aproximación de la partición energética. Se realizó una aproximación de división de producción de calor. El ME para mantenimiento se estimó en 354 kJ/kg PV0.75/ día, en promedio para las dos razas. Las diferencias en la tasa metabólica basal entre las razas fu

[CA] El principal objectiu d'aquesta tesi va ser estudiar el metabolism energètic en xicotets ruminants baix diferents escenaris de nutrició. Com a metodologia es va utilitzar la calorimetria indirecta en compte de calorimetria directa o proves d'alimentació. Dins de la calorimetria indirecta treballarem amb un sistema portatil de circuit obert d'intercanvi de gasos amb "urna" (Heat hood). Aquest sistema de respiració de circuit obert ens va permetre completar tot el balanç energètic i avaluar l'eficiència de la utilització de l'energia de la dieta per a diferents circumstàncies fisiològiques com produccion de llet en cabres o manteniment en ovelles. A més va ser possible quantificar en cada assaig algunes perdues relacionades amb la contaminacion ambiental com a emissions de CH4 i l'excreció de nitrogen en femta i orina. En aquesta tesi es van dissenyar tres experiments, dos en cabres en lactación i un altre en ovelles com vam descriure a continuació. En el primer experiment s'han determinat,digestibilidad, balanç energètic, balanç carboni nitrogen, producció de llet, paràmetres ruminales, àcids grassos i metabòlits en llet. Gàbies metabòliques i un sistema de circuit obert de calorimetria indirecta va ser el mètode aplicat. Els tractaments van consistir en dues dietes mixtes amb alfals com a farratge i dins del concentrat el gra de civada va ser reemplaçat per cilindre d'arròs. No es van trobar diferències significatives en l'energia metabolizable ingerida (MEI) de 1254 kJ/kg PV0.75 en mitjana i una producció de calor (HP) de 640 kJ/kg PV0.75 en mitjana. La producció de llet no va presentar diferències significatives entre les dues dietes, (2.2 kg/donen mitjana), el greix de la llet va ser major en la dieta de cilindre d'arròs (6.9% vs. 5.3% per a cilindre d'arròs i civada respectivament). El balanç energètic va ser positiu i correlacionat als metabòlits en llet determinats. Quant a les emissions de CH4, determinades en viu mitjançant l'intercanvi de gasos per calorimetria indirecta, les cabres alimentades amb el subproducte van reduir significativament la producció de metà (23.2 g / d vs 30.1 g / d.).En el segon experiment, també utilitzem dos tipus de dietes, però en aquest cas substituïm els farratges i vam mantenir el mateix pinso; en una de les dietes es va utilitzar com a farratge una gramínea (Maralfafa [Pennisetum sp.] - dieta M) i en l'altre una **leguminosa d'ús estès (Alfals [Medicago sativa] - dieta A). Els mètodes d'anàlisis i anàlisis van ser els mateixos que els utilitzats en l'Experiment 1, i es van incloure a més anàlisi de metabòlits en orina i plasma. La matèria seca ingerida va ser major per a dieta A (1,8 vs 1,6 kg/d, respectivament), els coeficients de digestibilidad van ser majors per a la dieta M. No obstant açò no es van trobar diferències significatives en MEI (1089 kJ/kg PV0.75, en mitjana) i HP 639 kJ/kg PV0.75, en mitjana). La producció de llet va ser major en la dieta Al fet que la dieta M, (1,8 vs. 1,7 kg/d, respectively) i els metabòlits en orina, plasma i llet indiquen un millor aprofitament de la dieta A. No es van presentar diferències en la composició de la llet (5% de greix i 4.3% de proteïna). La producció de metà va ser major per a la dieta A (28,5 g/d) que per a la dieta M (25,9 g/d), encara que aquestes diferències no van anar estadísticament significatives. En el tercer experiment es van comparar la partició energètica en dues races d'ovelles (Manxega vs. Guirra) en manteniment. Van ser alimentades amb dietes mixtes en gàbies metabòliques, calorimetria indirecta, balanç carboni nitrogen i càlculs integrals van ser les eines utilitzades per a un aproximació de la partició energètica. Es va realitzar una aproximació de divisió de producció de calor. L'EM para manteniment es va estimar en 354 kJ/kg PV0.75 / dia, en mitjana per a les dues races. Les diferències en la taxa metabòlica basal entre les races va ser de 2