EFFECT VAN GRASKUIL WAARBIJ GEBRUIK IS GEMAAKT VAN EM-SILAGE OP DE METHAAN- EN VLUCHTIGE VETZUREN PRODUCTIE IN DE PENS
Uitgevoerd door Feed Innovation Services (FIS)
Aarle-Rixtel
April 2003
In opdracht van: EM Agriton BV
Noordwolde
2 INHOUDSOPGAVE
1
INLEIDING
3
2
METHAANPRODUCTIE RUNDVEE
4
3
MATERIAAL EN METHODE IN VITRO ONDERZOEK
6
4
RESULTATEN EN DISCUSSIE IN VITRO ONDERZOEK
8
5
CONCLUSIES EN AANBEVELINGEN
11
3 1
INLEIDING
Er is tijdens de klimaatconferentie in Kyoto (december 1997) overeengekomen 6 broeikasgassen te reduceren. Dit zijn CO2, methaan, lachgas en drie fluorverbindingen. Nederland heeft zich tot doel gesteld om te komen tot een reductie met 6% over het gemiddelde per jaar in de periode van 2008 – 2012 ten opzichte van het gemiddelde van 1990 – 1995. In deze doelstelling ligt besloten dat ook een reductiebeleid zal moeten worden uitgevoerd voor de andere broeikasgassen dan CO2 (Reductieplan “Overige Broeikasgassen”) Het broeikasgaseffect van de overige broeikasgassen wordt uitgedrukt in CO2 equivalenten. Voor methaan is dit 21 equivalenten. De methaanproductie in Nederland wordt ingeschat op 25 Mton. Hiervan is 10 Mton afkomstig van de landbouw en 8 ten gevolge van pensfermentatie. Veruit de belangrijkste diercategorie hierin is melkkoeien. Bij de afbraak van koolhydraten en eiwit in de pens komt onder meer waterstof vrij en wordt methaan geproduceerd. De mate van deze methaanproductie is afhankelijk van de voeding van het dier. Graskuil neemt een zeer belangrijke plaats in van het rantsoen van melkkoeien. Naast een goed uitgangsproduct is een goed verlopen kuilfermentatie zeer belangrijk voor het verkrijgen van een goede kwaliteit kuilgras. EM-Silage is een bacteriepreparaat dat, in tegenstelling tot vele andere bacteriepreparaten, niet alleen uit melkzuurbacteriën bestaat, maar daarnaast nog gisten, straalschimmels, fotosynthetiserende bacteriën en fermentatieve schimmels bevat. Onderzoek van ID-Lelystad toonde aan dat EM-silage positief werkt op het inkuilproces en nabroei bij het openen van de kuil verminderd wordt. Het doel van dit experiment om inzicht te krijgen in de effecten van het gebruik van graskuil waarbij gebruik is gemaakt van EM-silage op de productie van vluchtige vetzuren en van methaan in de pens van melkkoeien.
4 2
METHAANPRODUCTIE RUNDVEE
2.1 Productie van methaan door herkauwers De pens kan van de koe is een anaëroob fermentatievat waarin een gecompliceerde populatie van bacteriën, protozoën en schimmels plantaardig materiaal omzetten in onder meer vluchtige vetzuren en microbieel eiwit voor respectievelijk de energie en eiwitvoorziening van het dier. Figuur 1
Een schema van de belangrijkste wegen van de koolhydraatstofwisseling in de pens (France & Siddons, 1993).
De methaanvorming is een gevolg van de noodzaak tot het wegvangen van waterstof in de pens. Waterstof wordt geproduceerd tijdens de fermentatie. Bij de productie van azijnzuur en boterzuur wordt waterstof gevormd. Bij de vorming van propionzuur (en valeriaanzuur) wordt waterstof benut. De belangrijkste reactievergelijkingen uitgaande van de afbraak van hexose moleculen in de pens waarbij waterstof gevormd en genomen wordt, zijn hieronder weergegeven (Volgens Counotte, 1981). 1 mol hexose + 2 H2O → 1 mol hexose+ 2 H2 → 1 mol hexose → 1 mol hexose+ 2 H2 → CO2 + 4 H2
2 azijnzuur + 2 CO2 + 4 ATP+ 4 H2 2 propionzuur + 2 H2O + 4 ATP 1 boterzuur + 2 CO2 + 3 ATP+ 2 H2 2 valeriaanzuur + CO2 + 2 H2O + 3 ATP
→ CH4 + 2 H2O
5 Via verschillende modellen is een poging gedaan om een inschatting te geven van de methaanproductie van verschillende nutriënten. Het empirische model van Moe en Tyrrell (1979) wordt door verschillende auteurs genoemd als beste (Veen, 2000). Voor een waardering van de methaanproductie van individuele grondstoffen blijkt het empirische model van Moe en Tyrrell (1979) niet bruikbaar. Het mechanistisch model van Dijkstra waarin de methaanproductie ingeschat wordt vanuit de productie van vluchtige vetzuren geeft een betere ondervanging van de nadelen van het empirische model van Moe en Tyrrell. Voor een inschatting van de vluchtige vetzuren en methaanproductie vanuit een individuele grondstof zijn de volgende gegevens nodig: -chemische analyse van de grondstof -afbraakkarakteristieken van de nutriënten in de grondstof -de vorming van individuele vluchtige vetzuren per mol gefermenteerde nutriënten* * Gegevens zijn gebaseerd op grond van in vivo waarnemingen bij melkgevend rundvee (Bannink en Dijkstra, 2002) De methaanproductie wordt vanuit de vluchtige vetzuren berekend met de volgende formule (in mol): CH4= 0,5 Hac – 0,25 Hpr + 0,5 Hbr – 0,25 Hval
2.2 Mogelijke invloed van inkuilmiddelen op methaanproductie in de pens Zowel Cushnahan (1995) als Huhtanen et al. (1997) vergeleken de toevoeging van een fermentatieremmer (mierezuur) met toevoeging van een fermentatiebevorderaar (melkzuurbacteriën) bij het inkuilen van gras. In beide experimenten werd een verhoging van de propionzuur- en een verlaging van de azijnzuurproductie (molaire percentages) gevonden bij de grassilages waarbij gebruik werd gemaakt van de fermentatiebevorderaar. Opgemerkt dient te worden dat de droge stof percentages van de kuilen voor Nederlandse begrippen zeer laag waren. De methaan productie werd niet gemeten, echter de gevonden verschuivingen in vluchtige vetzuren productie bij deze twee experimenten leidden tot een lager waterstof overschot in de pens en dientengevolge zeer waarschijnlijk ook tot een lagere methaanproductie.
6 3
MATERIAAL EN METHODE IN VITRO ONDERZOEK
Het in vitro onderzoek naar de fermentatie, productie en samenstelling van vluchtige vetzuren, de analyse ammoniak en methaan en de bepaling is uitgevoerd op en in samenwerking met de WU Leerstoelgroep Diervoeding. Het principe van het vitro onderzoek is een anaërobe fermentatie van substraat (lees rantsoen) in flesjes gevuld met pensvloeistof en een medium bij een temperatuur van 39°C. Het inoculum Pensvloeistof is verzameld van drie droogstaande pensfistelkoeien. De koeien werden ad lib gevoerd met hooi en één kg krachtvoer per dag. De pensvloeistof is vervoerd in thermosflessen en gevuld met CO2 om anaërobe condities te verkrijgen. De pensvloeistof is gefilterd door kaasdoek in een groot bekerglas en is gehouden onder anaërobe condities. De serumflesjes zijn gevuld met 5 ml pensvloeistof. Voorbereiding monsters Er zijn twee graskuilen met elkaar vergeleken; één waar geen gebruik is gemaakt van EMSilage en één waar wel gebruik is gemaakt van EM-Silage. De monsters werden gedroogd en gemalen aangeleverd door ID-Lelystad. Het medium In het onderzoek is het zogenaamde medium B gebruikt. Dit is een medium dat in principe de micro-organismen in de pens voorziet in de behoefte met uitzondering van energie (Williams, 2000). De energie is verstrekt via het geïncubeerde substraat. Medium B is bedoeld voor strict anaërobe bacteriën. De serumflesjes van 100 ml waarin reeds 0,5 g ±0,0001 g substraat is ingewogen, zijn gevuld onder CO2 met 82 ml medium B. De 82 ml medium B bestaat uit: -76 ml basale oplossing -1 ml vitamine/fosfaat oplossing -1 ml reduceervloeistof (verwijdering van eventuele aanwezige zuurstof). Indien na koeling geen kleuromslag werd gevonden is nogmaals reduceervloeistof toegediend. -4 ml bicarbonaat buffer De tijdsduur tussen het verzamelen van de pensvloeistof en de eerste (start) meting is ongeveer 60-75 minuten. Metingen en meetpunten Voor de analyse van vluchtige vetzuren en ammoniak zijn de serumflesjes op verschillende tijdstippen geautoclaveerd. In de Tabel 3.2 is een schema met de meetpunten aangegeven
7 Tabel 3.2 Meetpunten op de verschillende tijdstippen na incubatie. Tijd (uur)
0
VVZ/NH3 analyse
√
2
4
6 √
9
12 15 18 21 24 28 32 36 42 48 54 60 66 72 √
√
√
Gas√ √ samenstelling √ Druk en volume √ √ √ √ √ √ meting
√
√
√
√
√
√
√
√
√
√
√
√
√
√
√
Op alle meetpunten zijn metingen van vluchtige vetzuren en de samenstelling van het gas in drievoud verricht. De gasproductie en vluchtige vetzuren analyse is uitgevoerd bij de vakgroep Diervoeding en de methaananalyse bij de vakgroep Microbiologie van de WU. De vluchtige vetzuren zijn geanalyseerd met gaschromatografie. Het gas voor de analyse van methaan is opgevangen met een gecalibreerde 2 ml spuit en vervolgens gespoten in een 5 ml vacutainer (367614 met HeerGard® safety closure). Statistische analyse De gegevens zijn geanalyseerd met het statistisch pakket SAS. De verschillen zijn getoetst met behulp van de Tukey-Kramer procedure. Verschillen met een p<0,05 worden in het algemeen als significant beschouwd. Het gekozen model was het volgende: Yijk = ai + bj + wij + eijk ai, effect van substraat i = (1,…,n) bj, effect van tijd j = (1,…,n) wij, interactie tussen beide factoren eijk, rest term De afhankelijke variabelen (Yijk) zijn: -Hac, Hpr, Hbr, Hibr, Hval, Hival per g organische stof -Molaire percentages van Hac, Hpr en Hbr -NGR Ratio: (HAc + Hibr + Hbr + Hival + Hval)/(Hpr+ Hival + Hval) -De azijnzuur/propionzuur ratio -Berekende methaanproductie per g organische stof CH4= 0,5 Hac – 0,25 Hpr + 0,5 (Hbr + Hibr) – 0,25 (Hval + Hival) -Organische stof afbraak na 72 uur -Ammoniak op 72 uur -H2, CO2, CH4 en CH4/CO2
8 4
RESULTATEN EN DISCUSSIE IN VITRO ONDERZOEK
Voor het onderzoek werden twee representatieve monsters van graskuilen verkregen van het ID-Lelystad die in voorgaand onderzoek de effecten van het gebruik van EM-silage op het inkuilproces en aërobe stabiliteit na openen van de kuil onderzocht.(rapport nr. 2165, IDLelystad). In de volgende tabel worden de resultaten van het onderzoek over de graskuilkarakteristieken weergegeven. Tabel 4.1
Effect van de toevoegmiddel EM-silage (EMS) op silagekarakteristieken van grassilages na 2 maanden incubatie (Wikselaar et al., 2000).
Drogestof geh (g/kg) Gew. Verlies (g/kg) PH Gisten (log kve / g) Schimmels (log kve / g) Melkzuur (g / kg ds) Azijnzuur (g / kg ds) Ethanol (g / kg ds) 1,2-Propaandiol (g / kg ds) 2,3-Butaandiol (g / kg ds) Propionzuur (g / kg ds) 1-Propanol (g / kg ds) Ammoniak (g / kg ds)
Controle 451 11.5 5.11 2.15 <2 41.9 7.6 11.2 0 0.3 2.2 0 2.5
+ EM-Silage 440 24.0 4.42 <2 <2 79.3 36.2 17.7 10.0 0.3 2.4 2.3 3.5
Ten opzichte van de controle kuil vertoonden de met EM behandelde kuil een hoger gewichtsverlies en hogere gehaltes aan melkzuur en azijnzuur. De pH was hierdoor in de EMkuil duidelijk lager. De uitkomst van de chemische analyse van de silages die verricht zijn door de LU zijn weergegeven in de volgende tabel. Tabel 4.2
Chemische analyse van de grassilages (weergeven in g/kg d.s.)
Droge stof (g.kg) N NDF Ruw vet As
Contole 905.4 30.15 369 29.1 86.9
+ EM-silage 928 31.99 391 36.6 93.0
9 Tabel 4.3
Effect van gebruik van EM-Silage in graskuil op de productie van vluchtige vetzuren (VVZ) per geïncubeerde hoeveelheid organische stof (os), de verhouding tussen VVZ en de berekende methaanproductie op grond van de VVZ productie.
Parameter
Eenheid
Hac Hpr Hibr Hbr Hival Hval Hac Hpr Hbr Hac/Hpr OS afbraak NGR NH3 CH4 berekend
mmol/ g os mmol/ g os mmol/ g os mmol/ g os mmol/ g os mmol/ g os % % % % Mg/l mmol/ g os
Grassilage Controle 3,76 1,40 0,060 0,52 0,13 0,12 64,3 23,0 8,5 2,85 87 3,33 429 1,75
+ toevoeging 3,39 * 1,48 * 0,064 0,57 * 0,11 0,10 60,9 * 25,4 * 9,7 * 2,42 * 85 3,02 * 438 1,59 *
*: verschil met het controlerantsoen is significant (*: p<0,01). Tabel 4.4
Effect van gebruik van EM-Silage in graskuil op de productie van H2, CO2 en CH4 (via gasmonsters en de HPLC berekend). De resultaten zijn berekend per g geïncubeerde (inc) en g afgebroken (deg) organische stof.
Parameter
Eenheid
H2
µl/ 2 ml/ g os inc µl/ 2 ml/ g os deg µl/ 2 ml/ g os inc µl/ 2 ml/ g os deg µl/ 2 ml/ g os inc µl/ 2 ml/ g os deg %
H2 CO2 CO2 CH4 CH4 CH4/CO2
Grassilage Controle 22,7
+ EM-Silage 28,2 #
26,1
33,3
3929
3803
4464
4492
444
406
510
479
10,2
9,6
#: verschil met het controlerantsoen is significant (#: p<0,1). Zowel de productie van azijnzuur in mmol/g os als het molaire percentage azijnzuur waren significant lager in de EM-Silage kuil. Boterzuur en propionzuur productie (zowel in mmol / g o.s. als het molaire percentage) waren significant hoger bij de EM-silage kuil ten opzicht van de controle kuil. Als gevolg van deze verschuiving in productie van vluchtige vetzuren dalen
10 de azijnzuur / propionzuur verhouding en de NGR ratio. Tevens daalt de methaan productie die berekend is uit de vluchtige vetzuren productie significant. In de gemeten gassamenstelling werd alleen een significant hogere waterstof productie gevonden bij de EM-Silage kuil t.o.v. de controle kuil. Hoewel niet significant verschillend, werd wel een duidelijk lagere methaan productie gevonden van de EM-silage kuil, zowel uitgedrukt per gram geïncubeerde organische stof, per gram afgebroken organische stof, als uitgedrukt in verhouding tot de CO2 productie.
11 5
CONCLUSIES EN AANBEVELINGEN
-
Vanuit de literatuur zijn er aanwijzingen dat middels het gebruik van een inkuilmiddel bestaande uit melkzuurbacteriën een verschuiving van de vluchtige vetzuren productie in de pens bereikt kan worden. De reden hiervoor is nog niet geheel duidelijk, het hogere melkzuurgehalte in de kuilen waarbij gebruik is gemaakt van een fermentatiebevorderaar lijkt een rol te spelen.
-
Een significante verhoging van de propionzuurproductie en verlaging van de azijnzuurproductie werden aangetoond in dit in vitro experiment. Dit resulteerde in een verlaging van de berekende methaanproductie op basis van vluchtige vetzuren en een (niet significante) verlaging van de gemeten methaan productie via gasanalyse.
-
In veel rantsoenen (m.n. met een hoog percentage graskuil) die zijn berekend op basis van VEM zijn de glucogene nutriënten limiterend. Een verhoging van de propionzuurproductie heeft positieve effecten op de melk- en melkeiwitproductie.
-
Het gebruik van conserveringsmiddelen aan gras- en maïskuil wordt op redelijke schaal toegepast in de rundveehouderij. De argumentatie van de toepassing van een fermentatieverbeteraar zoals in het in vitro onderzoek is getest is de volgende: • een verbeterde stabiliteit van de kuil • vermindering broei • verbeterde smaak en/ of opname van de kuil door de koe. Een bepaalde extra zekerheid te creëren met betrekking tot de kwaliteit van de kuil lijkt ook goed te passen in het geheel van maatregelen op een melkveebedrijf om een zo gezond mogelijke veestapel en eindproduct te verkrijgen.
-
Een indicatie van de kosten van het product in het in vitro onderzoek is €17,70 per liter. De adviesdosering is 0,08 l/ton kuil. De extra kosten zijn daarmee €1,42 per ton kuil. Bij een ruwvoeropname van 24 kg geeft dit ruim 3 eurocent aan kosten per koe per dag.
-
In het licht van een betere en gegarandeerde kwaliteit van de productie lijkt een fermentatieverbeteraar een positieve rol te spelen. Vanuit oogpunt van de vermindering van methaan en een verhoging van de productie aan glucogene nutriënten zal een toepassing van een fermentatieverbeteraar van de kuil een positief effect kunnen hebben. Gezien de praktische omvang en mogelijkheden van de toepassing van een fermentatieverbeteraar is het belangrijk om meer inzicht te krijgen in de effecten.
