Untersuchungen zu den Konzentrationen an Mengen- und Spurenelementen beim Rind in verschiedenen Probenmedien unter besonderer Berücksichtigung von Kotproben

- Investigation of mineral- and trace element-concentrations in cattle in different sample media with emphasis on fecal analysis -
Minerals and trace elements have to be supplied for maintaining animal welfare and high performance. An oversupply should be avoided due to potential negative effects on animal health and the environment. An accurate assessment of the nutritional status is difficult; however, it is necessary for optimization of feed rations. Although feed analyses reveal element concentrations, variations in nutrient availability and antagonisms are not reflected. The complexity continues with elementspecific patterns of absorption, distribution and excretion. The accuracy of results depends on the selection of the ideal sample medium or a combination thereof.
The objective of this study is to evaluate the suitability of feces as sample material for the evaluation of mineral and trace element supply in cattle. For this purpose, fecal elementconcentrations are compared with those in other sample media. Furthermore, the utility of various media in the evaluation of nutritional status is evaluated.
In a first step, samples (feces, blood, urine, hair) from up to 10 cows in the close-up (3 – 0 wks a. p.) and high-performance (15. – 18. and 6. – 20. wks p. p.) group were collected during 73 investigations at 63 dairy farms. Pool samples were then formed from the individual samples of each lactation group and the concentrations of the minerals Ca, P, Mg, K, Na, S and the trace elements Fe, Cu, Zn, Se, Mn, Mo were determined with ICP-OES or ICP-MS. Furthermore, TMR was analyzed. Additionally, feces from mother cows during grazing and housing period were evaluated.
In this study, minerals and trace element concentrations analyzed in feed samples were sufficiently high to meet the nutritional requirements. However, concentrations tended to exceed requirements in various feed samples. Adequate supply with minerals and trace elements results in adequate concentrations in the sample media, except for manganese. Despite the sufficient concentrations in feed, manganese concentrations in blood and hair are below the reference values. This is in agreement with the literature and shows the insufficient knowledge about diagnosis of nutritional status of manganese.
The majority of minerals and trace elements described in this study are underlying endogenous and exogenous influences. Zinc, selenium and molybdenum are three elements out of twelve that do not show seasonal variation or lactation dynamics.
Based on the present data, reference ranges for fecal concentrations of each element were determined. Taking into account that element concentrations in feed samples are partly exceeding recommended allowances, one has to assume that fecal reference ranges are partially overestimated.
The analysis of fecal magnesium and calcium concentrations to evaluate nutritional status can be used as an alternative for feed analysis. The assessment of phosphorus status requires a combination of a number of substrates like feed, serum and urine. Urine magnesium concentrations are conclusive regarding nutritional supply of magnesium Furthermore, urine can be used to evaluate nutritional supply of potassium, sodium and sulfur.
For trace element concentrations, fecal iron concentrations correlate well with concentrations in feed. Further investigations of hematological parameters are needed beyond serum or plasma iron concentration for a precise description of iron status. Fecal copper concentrations provide information about copper intake with the feed. In addition, they can help to diagnose copper deficiency and thereby be the starting point for further analysis. For determination of the copper status, plasma reflects current status whereas whole blood and hair analysis can be used to evaluate long-term nutritional supply. Zinc concentrations in feces reflect the intake with the feed. A combination of several sample media for the diagnosis of zinc status is advisable. Fecal selenium concentrations best reflect feed intake among all sample media. Depending on the period of interest, serum, plasma, whole-blood or hair analysis are suitable for assessment of short-term or long-term selenium status. Investigation of manganese concentrations in feces is suitable for evaluation of intake with the feed. However, fecal manganese concentrations are a result of the combination of nutritional supply and metabolic processes. Furthermore, seasonal variations affecting fecal concentration need to be further evaluated. Risk of molybdenum oversupply can be assessed by analysis of feces as fecal concentration reflects feed concentrations. Hair analyses are suitable for evaluation of chronic oversupply as well.
These results indicate that fecal concentration of calcium, phosphorus and magnesium as well as of trace elements are best suited to reflect the feed intake when compared to other substrates. Fecal analysis of these elements can therefore be applied as an alternative to feed analysis. Nevertheless, assessment of mineral and trace element status only on the basis of fecal contents is insufficient. Concentrations of elements have to be evaluated with a combination of different sample media for this purpose. In case of zinc and manganese, fecal concentrations provide information about trace element intake with feed and the level of nutritional status. Die Versorgung mit Mengen- und Spurenelementen muss zur Erhaltung des Tierwohls und der Leistungsfähigkeit bedarfsdeckend sein. Eine Überversorgung gilt es sowohl aus tiergesundheitlicher Sicht als auch aufgrund möglicher Umweltbelastungen zu vermeiden.
Die für eine optimale Versorgungsanpassung notwendige exakte Einschätzung des Versorgungsstatus erweist sich allerdings als komplex. Diese Komplexität betrifft bereits die Analyse des Futters, die zwar Elementkonzentrationen, aber keine unterschiedlichen Verfügbarkeiten und interagierende Futterfaktoren wiedergibt. Sie setzt sich innerhalb des Körpers durch elementspezifische Aufnahme-, Verteilungs- oder Exkretionsmuster fort. Eine möglichst präzise Einschätzung des Versorgungsstatus erfordert deshalb das jeweils optimale Probenmedium oder eine Kombination von Medien.
Zielsetzung dieser Arbeit ist es, die Nutzbarkeit von Kot als Untersuchungsmedium zur Bewertung der Mengen- und Spurenelementversorgung bei Rindern zu untersuchen. Dabei werden fäkale Mineralstoffkonzentrationen mit den Gehalten in anderen Medien verglichen und die Eignung der unterschiedlichen Substrate für die jeweilige Elementuntersuchung beurteilt.
Zu diesem Zweck wurde bei 73 Bestandsuntersuchungen auf 63 Milchviehbetrieben, Probenmaterial (Kot, Blut, Harn, Haar) von jeweils bis zu 10 Kühen der Vorbereiter- (3 – 0 Woche ante partum) und Hochleistungsgruppe (15. – 18. und 6. – 20. Woche post partum) genommen. Aus den Einzeltierproben wurde eine Poolprobe je Laktationsgruppe erstellt und die Konzentrationen der Mengenelemente Ca, P, Mg, K, Na, S und der Spurenelemente Fe, Cu, Zn, Se, Mn, Mo mittels ICP-OES bzw. ICP-MS bestimmt. Außerdem wurde die Futterration untersucht. Ergänzend zur Untersuchung der Milchkühe wurden Kotproben von Mutterkühen während der Weide- sowie Stallsaison genommen und analysiert.
Im Allgemeinen ist die Versorgungslage mit Mengen- und Spurenelementen über das Futter in der vorliegenden Untersuchung bedarfsdeckend. Allerdings tendieren die Konzentrationen mehrerer Elemente in der TMR dazu, den Bedarf zu überschreiten. Die ausreichende Futterversorgung spiegelt sich auch in den entsprechend adäquaten Substratkonzentrationen wider. Eine Ausnahme hiervon bilden die trotz ausreichender TMR-Gehalte zu niedrigen Blut- und Haargehalte von Mangan, die die bereits in der Literatur beschriebenen Unwägbarkeiten der Mangandiagnostik unterstreichen.
Die Mehrheit der untersuchten Mineralstoffe im Kot unterliegt exo- und endogenen Einflüssen. Von den zwölf im Kot untersuchten Elementen sind lediglich die Elemente Zink, Selen und Molybdän unabhängig von jahreszeitlichen sowie laktationsdynamischen Einwirkungen.
Anhand der ermittelten Kotkonzentrationen wurden Referenzbereiche für die fäkalen Gehalte jedes Elements gebildet. Angesichts der teilweisen Überschreitung der Bedarfswerte in der TMR ist aber davon auszugehen, dass die oberen Referenzwerte zum Teil zu hoch angesetzt sind.
Hinsichtlich der Analyse der Mengenelemente stellt die Kotuntersuchung bei den Elementen Magnesium und Kalzium eine gute Alternative zur Futteruntersuchung dar.
Bei Phosphor sollten die Ergebnisse aus mehreren Substraten wie Futter, Serum und Harn kombiniert werden, um eine Einschätzung zu treffen.
Im Fall von Magnesium kann der Harngehalt über den Versorgungsstatus informieren. Harn ist auch bei den Elementen Kalium und Natrium das Medium der Wahl. Bei Schwefel liefert der Harngehalt ebenfalls die bestmöglichste Aussage für eine Einschätzung des Versorgungsstatus.
Die Spurenelemente betreffend kann die Kotanalyse im Fall von Eisen eine TMR-Untersuchung ersetzen. Zur präzisen Bestimmung des Eisenstatus ist es notwendig, dass die ermittelten Serum-/Plasmaeisengehalte um weitere hämatologische Parameter ergänzt werden.
Fäkale Kupfergehalte informieren über die Kupferaufnahme. Außerdem können erniedrigte fäkale Kupfergehalte auf einen Kupfermangel hinweisen und die Diagnostik zur Unterversorgung einleiten. Für die Bestimmung des Kupferstatus kann Plasma im Fall von Kurzzeitbetrachtungen sowie Vollblut- und Haargehalte bei Einschätzung des Langzeitstatus untersucht werden.
Die fäkale Zinkkonzentration liefert ein gutes Abbild des mit dem Futter aufgenommenen Zink und kann stellvertretend für die Futterkonzentration herangezogen werden kann. Zur Ermittlung des Versorgungsstatus ist eine kombinierte Konzentrationsbestimmung aus mehreren Substraten sinnvoll.
Im Fall von Selen spiegelt Kot die Konzentration im Futter unter den hier untersuchten Medien am besten wider. Um eine Einschätzung der Versorgungssituation zu treffen, sind die Analyse von Serum-, Plasma- oder Vollblut- und Haarkonzentrationen zielführend, je nachdem ob der gegenwärtige Selenstatus oder ein längerer Versorgungszeitraum beurteilt werden soll.
In Anbetracht der Verbindungen zu Futter- und Vollblutmangangehalt kann die Analyse des Kotmangangehalts als Produkt von Aufnahme und Stoffwechsel sowohl als geeignet zur Einschätzung der Futterversorgung als auch des Manganstatus gelten. Jedoch sind jahreszeitliche Einflüsse auf die Kotkonzentration vorhanden, die vorher einer genaueren Evaluierung unterliegen sollten.
Der Molybdängehalt im Kot ist ein geeignetes Medium zur Abschätzung eines Überversorgungsrisikos, da der Futtergehalt im Kot am besten reflektiert wird. Daneben erweist sich die Haarkonzentration im Fall von Molybdän als tauglich, um länger andauernde Überversorgungen zu bewerten.
Zusammenfassend kann für die Mengenelemente Kalzium, Phosphor und Magnesium sowie für die analysierten Spurenelemente festgestellt werden, dass Kot die Futterversorgung im Vergleich der hier untersuchten Medien am besten wiedergibt. Somit ist die Kotanalyse bei diesen Elementen geeignet, die Futteranalyse zu ersetzen. Für eine Bewertung des Versorgungsstatus des Körpers ist die Analyse des Kotgehalts nicht ausreichend. Zu diesem Zweck müssen Konzentrationen aus weiterem Substratmaterial beurteilt werden. Gleichwohl kann der Kotgehalt bei den Elementen Zink und Mangan sowohl Informationen zu Aufnahme als auch Versorgungsstatus beinhalten.