Untersuchungen zur Diagnostik der Manganversorgung von Milchkühen

Die adäquate Versorgung von Milchkühen mit Nährstoffen und insbesondere auch Spurenelementen ist für eine gesunde sowie leistungsstarke Herde von enormer Wichtigkeit. Zur Einordnung des Mn-Status einer Milchviehherde sollen in der vorliegenden Dissertation Referenzbereiche für unterschiedliche Probenmedien präsentiert werden.
Klinisch kann sich ein Mn-Mangel unter anderem durch eine verminderte Fruchtbarkeitsrate von Milchkühen oder der Geburt deformierter und lebensschwacher Kälber äußern. Zudem wird die Ansicht vertreten, dass sich das Geschlechterverhältnis zugunsten der männlichen Tiere verschiebt. Ursächlich hierfür ist nicht unbedingt ein primärer Mangel an Mn. Von großer Bedeutung sind vor allem sekundär bedingte Mangelzustände durch Mn-Antagonisten, wie Fe, das in hohen Konzentrationen im Trinkwasser vorkommen kann.
Die Resorptionsrate von Mn beträgt bei Rindern zwischen 0,5 und 5,0 %. Es wird aus dem gesamten Intestinum resorbiert. Mn befindet sich hauptsächlich in mitochondrienreichen Organen, wie der Leber, dem Knochengewebe oder den Haaren. Größtenteils wird es durch den TfR oder via DMT-1 in die Zelle aufgenommen. Die Ausscheidung erfolgt über die Leber. Wenigstens 95 % des absorbierten Mn werden so im first pass effect eliminiert, mit der Galle exkretiert und über die Fäzes ausgeschieden. Für die Aufrechterhaltung der Homöostase spielen aber vor allem die Veränderungen der Absorptionsrate eine Rolle. Durch die Bindung an Proteine, die die Filtration über die Niere verhindert, beträgt der Anteil im Urin < 1 % der Mn-Aufnahme.
Die in dieser Arbeit präsentierten Ergebnisse basieren auf der Auswertung von Daten aus
der Bestandsbetreuung der Klinik für Klauentiere, FU Berlin. Sie werden in zwei Studien
unterteilt.
Die Datei der Bestandsuntersuchung umfasst Erhebungen aus 564 Milchviehbetrieben der Jahre 2007 bis 2014. Die durchschnittliche Tierzahl betrug 495 Tiere pro Betrieb. Größtenteils gehörten sie den Rassen Holstein Friesian und Schwarzbuntes Milchrind an. Die Kühe wurden zumeist in Boxenlaufställen gehalten und bekamen eine TMR gefüttert. Pro Laktationsgruppe wurden zehn klinisch gesunde, vorzugsweise pluripare Tiere ausgewählt und beprobt. Die Mn-Konzentration wurde in folgenden Substraten bestimmt: Blutserum, EDTA-Plasma, EDTA-Vollblut, Harn und Haar.
In die Datei der Betriebsuntersuchung flossen Untersuchungen aus dem Winter 2007/2008 ein. Sie stammen aus einem milchproduzierenden Landwirtschaftsbetrieb mit zu dem Zeitpunkt etwa 1400 Kühen der Rasse Holstein Friesian. Auch hier wurden aus jeder Laktationsgruppe jeweils zehn klinisch gesunde, pluripare Tiere ausgewählt und folgende Probenmedien entnommen: Blutserum, EDTA-Plasma, EDTA-Vollblut, Haar und Lebergewebe.
Die Proben wurden mit der ICP-OES Methode spektrometrisch untersucht. In allen Substraten lagen die erhobenen Mn-Werte im niedrigen Konzentrationsbereich. Es zeigten sich trotzdem keine klinischen Hinweise auf eine mangelhafte Versorgungslage. Unter üblichen Haltungs- und Fütterungsbedingungen ist ein Mn-Mangel somit nicht zu erwarten.
Nachdem die erhobenen Daten log-transformiert wurden, konnten zu ihrer weitergehenden Auswertung parametrische Testverfahren angewandt werden.
In der Betriebsdatei bestehen für die Mn-Konzentration mittlere Korrelationen zwischen den Plasma- und Serum- sowie den Plasma- und Vollblutwerten. In der Bestandsdatei wurde ein Zusammenhang zwischen den Serum-Mn-Werten zu den Mn-Konzentration in folgenden Proben nachgewiesen: Plasma, Vollblut und Leber.
Bei den unterschiedlichen Spurenelementgehalten im Serum bestehen ein positiver Zusammenhang zwischen denen von Mn und Zn sowie ein negativer Zusammenhang der Mn-Werte zu denen von Fe.
Der Zusammenhang der Serumkonzentration des an der Knorpelsynthese beteiligten Cholesterol zur Serum-Mn-Konzentration konnte ebenfalls bestätigt werden.
Bundesland und Herdengröße hatten in dieser Studie keinen nachweislichen Einfluss auf den Mn-Status einer Milchvieherde.
Die Mn-Mittelwerte in den verschiedenen Blutmedien stiegen im Laktationsverlauf an und unterscheiden sich signifikant voneinander. Auch jahreszeitliche Schwankungen konnten nachgewiesen werden. Dementsprechend bestanden ebenfalls signifikante Unterschiede in der Serum-Mn-Konzentration bezüglich des Untersuchungsmonats und auch des Untersuchungsjahres.
Der viel diskutierte Zusammenhang zwischen der Mn-Konzentration in den verschiedenen Untersuchungsmedien und dem Verhältnis von männlichen zu weiblichen Kälbern ließ sich in der vorliegenden Auswertung nicht erkennen. Dafür zeigte sich ein signifikanter Zusammenhang zwischen der Serum- sowie der Vollblut-Mn-Konzentration und dem Besamungsindex.
Der Mn-Gehalt im Futtermittel wurde in dieser Dissertation nicht näher beleuchtet. Trotzdem scheint eine sorgfältig durchgeführte Analyse des Mn-Gehalts der vorgelegten TMR die geeignetste Methode zur Erhebung des Mn-Status einer Milchviehherde zu sein. Eine Konzentrationsbestimmung des Antagonisten Fe im Futter sowie im Wasser würde diese Methode vervollständigen.
Auch das Probenmedium Kot war kein Bestandteil der vorliegenden Arbeit. Wegen der hohen fäkalen Exkretion von Mn und der einfachen und kostengünstigen Probengewinnung ist es allerdings sinnvoll, dieses Substrat als mögliches Probenmedium zu untersuchen.

Aus den in der vorliegenden Arbeit ermittelten Mn-Konzentrationen in den verschiedenen Medien wurden Grenzwerte berechnet und mit Hilfe dieser Referenzbereiche für die einzelnen Substrate abgeleitet:

Medium: Serum
Einheit: μg/l
Empfohlener Referenzbereich: 1,0 - 3,0

Medium: Plasma
Einheit: μg/l
Empfohlener Referenzbereich: 1,4 - 8,0

Medium: EDTA-Vollblut
Einheit: μg/l
Empfohlener Referenzbereich: 5,0 - 14

Medium: Harn
Einheit: μg/l
Empfohlener Referenzbereich: 0,5 - 8,0

Medium: Haar
Einheit: mg/kg
Empfohlener Referenzbereich: 1,0 - 23

Medium: Leber
Einheit: mg/kg
Empfohlener Referenzbereich: 3,8 - 11 "Examination of manganese supply in dairy cows"

The adequate supply of nutrients and in particular trace elements is of major importance for a healthy and highly productive dairy herd. The dissertation at hand intends to present reference ranges for different sample media to classify the manganese status of a dairy cow herd.
Among others, manganese deficiency may clinically show a decreased fertility rate of dairy cows or the delivery of deformed and weak calves. Additionally, it is considered that the sex ratio shifts in favor of male animals. The underlying reason for this is not necessarily a primary manganese deficiency, as secondary deficiency states caused by manganese antagonists like iron, which can be found in drinking water in high concentrations, are of great importance.
A key factor in the maintenance of manganese homeostasis is the variation of the absorption rate. In cattle, manganese is absorbed throughout the entire intestinal tract at a rate of 0.5 and 5.0 % of total ingested manganese.
Manganese can mainly be found in tissue rich in mitochondria such as liver, hair or osseous tissue and is primarily incorporated into the cell by the transferrin receptor or via DMT-1.
Excretion is executed by the liver. At least 95 % of the absorbed manganese is thus eliminated in the first pass effect, excreted via the bile within the faeces. Caused by the attachment to proteins that prevents the filtration through the kidneys, the part in the urine is less than 1 % of the initial uptake.
The results presented within the thesis are based on the evaluation of data derived from the herd care section of the Clinic for Ruminants and Swine at the Department of Veterinary Medicine at the Freie Universität Berlin. They are divided into two separate studies.
The dataset of the herd tests comprises surveys of 564 dairy farms in the years from 2007 to 2014. The average number of cattle was 495 animals per farm. Most of them were Holstein-Friesian and German Black Pied Dairy Cattle. The cattle was mostly housed in stable cubicles and fed a Total Mixed Ration (TMR).
Ten clinically healthy, preferably pluriparous cows per lactation group were chosen and sampled. The manganese concentration was determined for the following substrates: blood serum, EDTA plasma, EDTA whole blood, urine and hair.
The farm test file contains data gathered on a dairy producing farm with about 1400 Holstein-Friesian cows in the winter of 2007/2008. For this study too, ten clinically healthy, preferably pluriparous cows were chosen and the following samples were collected: blood serum, EDTA plasma, EDTA whole blood, hair and liver.
The samples were analyzed spectrometrically by the ICP-OES method. The manganese concentrations in all substrates were in a low concentration range. Nevertheless, there is no clinical evidence for deficient supply conditions. Hence, manganese deficiency may not be expected when dairy cattle is kept under the usual rearing and feeding conditions.
After log-transforming the data, it could be evaluated with parametric tests.
For the manganese concentration the farm test file shows average correlations between plasma and serum values as well as between plasma and whole blood values. The herd test file shows a correlation between the manganese values in serum and the manganese values in following media: plasma, whole blood and liver.
Regarding the different trace element concentrations in the serum, positive correlations between manganese and zinc as well as a negative correlation between manganese and iron were detected.
The correlation between the serum concentration of cholesterol which is involved in the cartilage synthesis and the serum manganese concentration could also be confirmed. In this study neither the federal state nor the herd size had any traceable influence on the manganese status of a dairy cattle herd.
The average manganese values in the different blood media increased in the course of lactation and varied significantly. Moreover, seasonal variations could be verified. Accordingly, there were significant differences in the serum manganese concentration regarding month as well as year of the investigation.
The much discussed correlation between manganese concentration in the different sample media and the ratio of male to female calves could not be proven within this evaluation. Instead, a significant correlation between the manganese concentration in serum as well as in whole blood and the insemination index could be shown.
Faeces were not sampled in the study at hand. Due to the high faecal excretion of manganese and the simple and cost effective sampling it appears to be useful to analyze this substrate as a possible sample medium.
The manganese concentration in feedstuff was not part of this dissertation either. Nevertheless, a thoroughly executed analysis of the manganese content in the TMR fed to the cattle seems to be the most suitable method to evaluate the manganese status of a dairy cattle herd. Determination of the concentration of the antagonist iron within the feed as well as in the drinking water would complete this method.

The manganese concentrations in the different media determined in this study were used to calculate limit values. Reference ranges for each substrate were derived from these values.

Medium: Serum
Unit: μg/l
Recommended reference range: 1,0 - 3,0

Medium: Plasma
Unit: μg/l
Recommended reference range: 1,4 - 8,0

Medium: EDTA whole blood
Unit: μg/l
Recommended reference range: 5,0 - 14

Medium: Urine
Unit: μg/l
Recommended reference range: 0,5 - 8,0

Medium: Hair
Unit: mg/kg
Recommended reference range: 1,0 - 23

Medium: Liver
Unit: mg/kg
Recommended reference range: 3,8 - 11