In this study, rumen temperature and environment in estral and non-estral Korean Native breeding cattle were evaluated by using a bolus sensor. Behavioral and physiological changes in study animals were also assessed. To assess the rumen temperature and environment, we inserted bolus sensors into 12 Korean Native cattle with an average age of 35.5 months, then measured temperature and activity within the rumen using the wireless bolus sensor. Drinking, feeding and mounting behavior, and measured vaginal temperature and levels of intravaginal mucus resistance were recorded. We found that cattle in estrus exhibited more acts of mounting (37.4 vs. 0 times/day), increased vaginal temperature (39.0℃ vs. 38.4℃), and decreased vaginal mucus resistance (136.3 Ω vs 197.4 Ω), compared with non-estral animals. Furthermore, increased levels of rumen activity were most significant in estrus cattle at the highest activity levels (p < 0.01). Overall, the estrus group exhibited increased rumen temperature (p = 0.01), compared with the non-estrus group. In conclusion, the results of this study not only provide basic physiological data related to estrus in improved Korean Native breeding cattle, but also suggest that monitoring of rumen temperature and activity might be used as an effective smart device for estrus detection.
Roderick I. Mackie;Hyewon Kim;Na Kyung Kim;Isaac Cann
Animal Bioscience
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v.37
no.2_spc
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pp.323-336
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2024
Molecular hydrogen (H2) and formate (HCOO-) are metabolic end products of many primary fermenters in the rumen ecosystem. Both play a vital role in fermentation where they are electron sinks for individual microbes in an anaerobic environment that lacks external electron acceptors. If H2 and/or formate accumulate within the rumen, the ability of primary fermenters to regenerate electron carriers may be inhibited and microbial metabolism and growth disrupted. Consequently, H2- and/or formate-consuming microbes such as methanogens and possibly homoacetogens play a key role in maintaining the metabolic efficiency of primary fermenters. There is increasing interest in identifying approaches to manipulate the rumen ecosystem for the benefit of the host and the environment. As H2 and formate are important mediators of interspecies interactions, an understanding of their production and utilization could be a significant starting point for the development of successful interventions aimed at redirecting electron flow and reducing methane emissions. We conclude by discussing in brief ruminant methane mitigation approaches as a model to help understand the fate of H2 and formate in the rumen ecosystem.
Ruminal methane production functions as the main sink for metabolic hydrogen generated through rumen fermentation and is recognized as a considerable source of greenhouse gas emissions. Methane production is a complex trait affected by dry matter intake, feed composition, rumen microbiota and their fermentation, lactation stage, host genetics, and environmental factors. Various mitigation approaches have been proposed. Because individual ruminants exhibit different methane conversion efficiencies, the microbial characteristics of low-methane-emitting animals can be essential for successful rumen manipulation and environment-friendly methane mitigation. Several bacterial species, including Sharpea, uncharacterized Succinivibrionaceae, and certain Prevotella phylotypes have been listed as key players in low-methane-emitting sheep and cows. The functional characteristics of the unclassified bacteria remain unclear, as they are yet to be cultured. Here, we review ruminal methane production and mitigation strategies, focusing on rumen fermentation and the functional role of rumen microbiota, and describe the phylogenetic and physiological characteristics of a novel Prevotella species recently isolated from low methane-emitting and high propionate-producing cows. This review may help to provide a better understanding of the ruminal digestion process and rumen function to identify holistic and environmentally friendly methane mitigation approaches for sustainable ruminant production.
Inadequate supply of glucose or glucogenic substrates to the body tissues can affect metabolism of absorbed acetogenic metabolites from the gut and therefore, influence feed intake in ruminants. This study investigated the effect of energy supplementation on rumen kinetics in the gut, and the acetate clearance rate in the body tissues of sheep fed low quality basal roughage. A basal diet consisting of urea-treated mixture of wheaten chaff and barley straw (3:1 DM) containing 22.2 g N/kg DM was used. Four Merino cross wethers weighing $45{\pm}4.38\;kg$ fitted with permanent rumen and abomasal cannulae were allocated to four treatments in a $4{\times}4$ LSD. The treatments were basal diet ($E_0$), or basal diet supplemented with sucrose (112.5 g/d) administered intraruminally ($E_R$), abomasally ($E_A$), or via both routes (50:50) ($E_{RA}$). There was no difference (p>0.05) in the rumen liquid kinetics parameters between the four dietary treatments. However, there was a trend of animals supplemented with sucrose wholly or partly through the abomasum having lower faecal DM and therefore poor pellet formation, and low pH. Although the glucogenic potential of the fermentation products absorbed from the rumen was increased (p<0.001) by intra-ruminal supplementation with sucrose ($E_R$ and $E_{RA}$), there was no significant difference (p<0.05) in acetate clearance rate between the four dietary treatments.
Anbarasu, C.;Dutta, Narayan;Sharma, K.;Naulia, Uma
Asian-Australasian Journal of Animal Sciences
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v.15
no.5
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pp.665-670
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2002
The expediency of replacing cost prohibitive and often inaccessible traditional protein supplements prompted the monitoring of hematological parameters was carried out in female goats at 0, 30, 60 and 90 days post feeding. Rumen environment was (3), respectively fed supplements containing either a leaf meal mixture (LMTM) of Leucaena leucocephala-Morus alba-Tectona grandis (2:1:1) or traditional protein supplements groundnut cake (GNC) or soybean meal (SBM) and wheat straw as basal diet. The periodic monitoring of hematological parameters was carried out in female goats at 0, 30, 60 and 90 days post feeding. Rumen environment was studied in bucks in a $3{\times}3$ switch over design. Rumen liquor was collected at 0, 2, 4, 6 and 8 h post feeding after 4 weeks of feeding. The goats fed on LMTM or GNC had similar dry matter intake (g/kg $W^{0.75}$), which was significantly (p<0.05) higher than SBM. Except for packed cell volume (PCV), none of the blood biochemical constituents (Hemoglobin, serum glucose, total protein, serum albumin (A) and globulin(G), A:G ratio, alkaline phosphatase, transaminases) varied significantly due to replacement of 50% dietary protein by LMTM throughout the experiment. GNC group had significantly higher level of PCV than other treatments. However, the level of serum total protein (p<0.01) tended to increase from 60th day onwards irrespective of dietary treatments. The average rumen pH was significantly higher (p<0.001) on SBM followed by LMTM and GNC, respectively. Total volatile fatty acid (TVFA) production was comparable in goats given LMTM or GNC supplements, the corresponding values were significantly different (p<0.001) when compared with SBM. The ammonical-N, total-N and TCA-precipitable-N (mg/100 ml SRL) did not differ significantly among dietary treatments. It may be concluded that supplementing wheat straw with LMTM based concentrate had no adverse effect on voluntary intake, blood biochemical profile and rumen fermentation pattern of the goats.
Rumen bacterial amino acids in sheep on urea diet were monitored to assess a possible change in amino acid synthesis as a long term response to high rumen ammonia environment. A sheep was fed a semipurified diet with soybean meal, followed by a diet with urea as a main nitrogen source. Mixed rumen bacteria were harvested from ruminal fluid taken 3 h after feeding (twice in soybean meal feeding and 6 times in urea feeding) and fractionated as cell wall, proteins and protein-free cell supernatant of monitor amino acids in each fraction. Ruminal ammonia concentration at the sampling ranged from 5.7 to 39.5 mgN/dl. Cell wall and protein fractions of mixed rumen bacteria were stable in their amino acid composition regardless of nitrogen sources of diet and the feeding duration. However, protein-free cell supernatant fraction showed a higher alanine proportion with urea feeding (18.6 and 28.2 molar % of alanine for samples from sheep fed soybean meal and urea, respectively) and its duration (20.6 and 32.9 molar % for samples from sheep on urea diet for 1 and 65 days, respectively). Total free amino acid level of bacteria was depressed in the initial period of urea feeding but restored on 65th day of the feeding. These results suggest that an alanine synthesizing system may develop in rumen bacteria as urea feeding becomes longer.
Recent development of novel techniques in systems biology have been used to improve and manipulate the rumen microbial ecosystem and gain a deeper understanding of its physiological and microbiological interactions and relationships. This provided a deeper insight and understanding of the relationship and interactions between the rumen microbiome and the host animal. New high-throughput techniques have revealed that the dominance of Proteobacteria in the neonatal gut might be derived from the maternal placenta through fetal swallowing of amniotic fluid in utero, which gradually decreases in the reticulum, omasum, and abomasum with increasing age after birth. Multi "omics" technologies have also enhanced rumen fermentation and production efficiency of dairy goats using dietary interventions through greater knowledge of the links between nutrition, metabolism, and the rumen microbiome and their effect in the environment. For example, supplementation of dietary lipid, such as linseed, affects rumen fermentation by favoring the accumulation of ${\alpha}$-linolenic acid biohydrogenation with a high correlation to the relative abundance of Fibrobacteriaceae. This provides greater resolution of the interlinkages among nutritional strategies, rumen microbes, and metabolism of the host animal that can set the foundation for new advancements in ruminant nutrition using multi 'omics' technologies.
Inefficient rumen microbial fermentation is a major factor limiting intake of low quality roughage in ruminants. In this study, the effect of energy supplementation on rumen microbial fermentation, absorption of balanced digestion products and voluntary feed intake in sheep was investigated. A basal diet of a urea-treated mixture of wheaten chaff and barley straw (3:1 DM) containing 22.2 g N/kg DM was used. Four Merino-cross wethers weighing $45{\pm}4.38\;kg$ and fitted with permanent rumen and abomasal cannulae were allocated to four treatments in a $4{\times}4$ Latin square design. The dietary treatments were basal diet ($E_0$), or basal diet supplemented with sucrose (112.5 g/d) administered to the animals intra-ruminally ($E_R$), abomasally ($E_A$), or through both routes (50:50) ($E_{RA}$). Feed intake (basal and dietary) was increased (p<0.05) by sucrose supplementation through the rumen ($E_R$) or abomasum ($E_A$). However, there was no difference (p>0.05) in intake between animals on the control diet and those supplemented with sucrose through both intraruminal and abomasal routes ($E_{RA}$). The digestibility of DM and OM was highest in $E_R$ and $E_A$ supplemented animals. Although the rumen pH was reduced (p<0.001) in animals supplemented with sucrose entirely intra-ruminally ($E_R$), the in sacco degradation of barley straw in the rumen was not adversely affected (p>0.05). Intra-ruminal sucrose supplementation resulted in a higher concentration of total VFA, acetate and butyrate, while the pattern of fermentation showed a higher propionate: acetate ratio. Intra-ruminal supplementation also increased (p<0.05) the glucogenic potential (G/E) of the absorbed VFA. However, there was no difference (p>0.05) in microbial protein production between the four dietary treatments. Protozoa numbers were increased (p<0.05) by intra-ruminal supplementation of sucrose.
The abatement of methane emission from ruminants is an important global issue due to its contribution to greenhouse gas with carbon dioxide. Methane is generated in the rumen by methanogens (archaea) that utilize metabolic hydrogen ($H_2$) to reduce carbon dioxide, and is a significant electron sink in the rumen ecosystem. Therefore, the competition for hydrogen used for methanogenesis with alternative reductions of rumen microbes should be an effective option to reduce rumen methanogenesis. Some methanogens parasitically survive on the surface of ciliate protozoa, so that defaunation or decrease in protozoa number might contribute to abate methanogenesis. The most important issue for mitigation of rumen methanogenesis with manipulators is to secure safety for animals and their products and the environment. In this respect, prophylactic effects of probiotics, prebiotics and miscellaneous compounds to mitigate rumen methanogenesis have been developed instead of antibiotics, ionophores such as monensin, and lasalocid in Japan. Nitrate suppresses rumen methanogenesis by its reducing reaction in the rumen. However, excess intake of nitrate causes intoxication due to nitrite accumulation, which induces methemoglobinemia. The nitrite accumulation is attributed to a relatively higher rate of nitrate reduction to nitrite than nitrite to ammonia via nitroxyl and hydroxylamine. The in vitro and in vivo trials have been conducted to clarify the prophylactic effects of L-cysteine, some strains of lactic acid bacteria and yeast and/or ${\beta}$1-4 galactooligosaccharide on nitrate-nitrite intoxication and methanogenesis. The administration of nitrate with ${\beta}$1-4 galacto-oligosaccharide, Candida kefyr, and Lactococcus lactis subsp. lactis were suggested to possibly control rumen methanogenesis and prevent nitrite formation in the rumen. For prebiotics, nisin which is a bacteriocin produced by Lactococcus lactis subsp. lactis has been demonstrated to abate rumen methanogenesis in the same manner as monensin. A protein resistant anti-microbe (PRA) has been isolated from Lactobacillus plantarum as a manipulator to mitigate rumen methanogenesis. Recently, hydrogen peroxide was identified as a part of the manipulating effect of PRA on rumen methanogenesis. The suppressing effects of secondary metabolites from plants such as saponin and tannin on rumen methanogenesis have been examined. Especially, yucca schidigera extract, sarsaponin (steroidal glycosides), can suppress rumen methanogenesis thereby improving protein utilization efficiency. The cashew nutshell liquid (CNSL), or cashew shell oil, which is a natural resin found in the honeycomb structure of the cashew nutshell has been found to mitigate rumen methanogenesis. In an attempt to seek manipulators in the section on methane belching from ruminants, the arrangement of an inventory of mitigation technologies available for the Clean Development Mechanism (CDM) and Joint Implementation (JI) in the Kyoto mechanism has been advancing to target ruminant livestock in Asian and Pacific regions.
An experiment was conducted to examine the effects of Kalopanax pictus Nakai (Kalopanax) on in vitro rumen fermentation and methane (CH4) reduction. Kalopanax trunk was extracted with 70% ethanol and 70% methanol. Rumen fluid, alfalfa hay and buffer (control: C) supplemented with 0.3% Kalopanx juice (T1), 0.3% ethanol extract (T2) and 0.3% methanol extract (T3) in the total volume of culture medium were incubated at $38^{\circ}C$ for 24h and 48h. Rumen pH was lower in all Kalopanax treatments during all incubations than that in control (p<0.05). Total VFA and total gas production in T2 and T3 was significantly higher than that in C at 48h incubation (p<0.05). Ammonia-N was decreased in all treatments compared with C during the incubation periods (p<0.05). At 24h incubation, $CH_4$ contents were significantly reduced by both alcohol extracts. It is concluded that supplementing Kalopanax extracts can stimulate ruminal fermentation of rumen microorganisms and inhibit methanogenesis.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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