Eficiencia en el uso del nitrógeno en vacas lecheras y su impacto en el ambiente

Abstract

El productor agropecuario se enfrenta al desafío de mejorar la eficiencia de uso de los recursos disponibles y, al mismo tiempo, reducir la contaminación ambiental. La producción animal representa una fuente significativa de gases de efecto invernadero (GEI) a través de la emisión de metano (CH4) y óxido nitroso (N2O), además de la contaminación del agua con nitratos (NO3-) y la volatilización de amoníaco (NH3). La optimización de la nutrición del ganado lechero es una herramienta clave para la problemática ambiental provocada por la acumulación de nitrógeno (N) y la emisión de CH4 en los sistemas lecheros. A pesar de la importancia que tiene en nuestro país la producción lechera, hasta el presente existe poca información sobre emisiones de CH4 y sobre la relación entre la eficiencia de utilización del N de la dieta (EUN) y las emisiones de CH4 en vacas lecheras. En este contexto, la presente tesis doctoral tiene como objetivo estudiar el efecto de distintos niveles de proteína bruta (PB) de la dieta sobre la productividad animal, la fermentación ruminal, el destino del N consumido y el impacto ambiental de vacas Holando Argentino en lactancia. En el capítulo 2, como parte de la revisión bibliográfica del tema, se realizó la evaluación de la situación actual con respecto a los niveles de PB utilizados y recomendados a nivel nacional e internacional, y la EUN. Para ello, se estudió la variabilidad de los niveles de PB en las dietas utilizadas en vacas en ordeño a nivel nacional, la secreción de N en leche, su relación con la EUN de la dieta, y las emisiones de CH4 entérico en 122 sistemas lecheros de las principales cuencas lecheras del país. Los valores de PB en los sistemas de Argentina observados fueron altos con respecto a las recomendaciones internacionales. Las EUN observadas fueron menores a las deseadas, demostrando que aún quedan muchas estrategias para mejorar este indicador. A continuación, en el capítulo 3, se realizó una revisión sistemática y un análisis global de las relaciones entre las variables en los resultados de 53 ensayos de alimentación publicados que tuvieron como objetivo evaluar diferentes concentraciones de PB en la dieta de vacas lecheras. Se realizó un análisis de componentes principales para evaluar las relaciones de las variables bajo estudio, y posteriormente, a fin de determinar la función que relaciona la concentración de PB (%) y variables productivas, se realizó un análisis a través de regresiones aleatorias. La revisión sistemática permitió generar una síntesis de la evidencia disponible para proseguir con el análisis en profundidad de las relaciones entre las variables. Si bien en algunas variables, como el consumo de materia seca (CMS), el contenido de proteína en leche y el N ureico en leche (NUL) tuvieron poca variabilidad de respuesta, la producción de leche individual y la EUN tuvieron una respuesta variable, siendo ambas variables de importancia para el costo de la dieta y el resultado económico final. La alta correlación negativa entre la concentración de NUL y la EUN demostró su utilidad como indicador de la eficiencia de utilización del N. En el capítulo 4, con el objetivo de evaluar la EUN de la dieta, la emisión de CH4 entérico, la producción de leche (PL) y el resultado económico, se llevó a cabo un ensayo a campo en vacas Holando Argentino en lactancia alimentadas con dietas con distinto contenido de PB; 13, 16 y 19 % PB. Con CMS y materia orgánica (MO) digestible similares, al aumentar el contenido de PB en la dieta) aumentó de forma lineal la PL (+ 16 %), el contenido y la excreción de proteína en leche (PBL). La excreción de N en leche (NL) mostró la misma tendencia que la PBL. Con respecto a la EUN, cuanto mayor fue el consumo de N (CN), menor fue la EUN. El volumen de orina, el N excretado en orina (NOr), y el N en forma de urea en orina (NUOr), al igual que la proporción de CN excretado en orina en forma de NOr y NUOr, aumentaron significativamente en respuesta al contenido de PB. La emisión diaria de CH4 entérico, la intensidad de emisión y la tasa de conversión de CH4 (Ym) no se vieron afectadas por el nivel de PB de la dieta. Con respecto a los indicadores económicos, el costo de la ración fue mayor a medida que aumentó el porcentaje de PB de la dieta. Sin embargo, al aumentar la PB de la dieta aumentó la PL, lo que permitió un mayor rendimiento de leche libre de ración, un mayor ingreso por vaca, y un mayor margen bruto. No obstante, los costos potenciales debido a una mayor excreción de N, y por lo tanto un mayor riesgo de lixiviación de NO3- y de emisión de N2O, fueron mayores a medida que se incrementó en contenido de PB. Estos resultados muestran que la optimización del contenido de PB en la dieta deberá ser un balance entre los impactos económicos y ambientales en la PL, ya que el consumo excesivo de N implicaría una mayor pérdida en forma de urea a través de la orina, lo que llevaría a un aumento de las emisiones de NH3 y N2O. Por último, en el capítulo 5, se llevó a cabo un ensayo en un sistema in vitro de doble flujo continuo con el objetivo de evaluar los efectos del aumento de los niveles de PB dieta utilizadas en ganado lechero sobre la fermentación ruminal, el metabolismo ruminal del N, la eficiencia de síntesis microbiana, la población microbiana y la producción de CH4 y. El aumento de la PB en la dieta (13, 16 y 19 % PB) no tuvo un efecto significativo en la digestibilidad in vitro de la MS, la MO o de la fibra. A medida que el contenido de PB aumentó, el pH ruminal medio aumentó linealmente, al igual que el pH máximo y mínimo. Las concentraciones de ácidos grasos volátiles totales (AGVT) y proporciones molares de acetato (C2), butirato (C4) y valerato (C5) no se vieron afectadas por los tratamientos, existiendo una tendencia a disminuir los AGVT de forma lineal a medida que aumenta el nivel de PB. Para el caso del propionato (C3), al igual que el iso-valerato y contrariamente al iso-butirato, si bien no hubo diferencias entre tratamientos, se observó una disminución en la proporción molar con el aumento en el contenido de PB de la dieta. La relación C2:C3 aumentó linealmente con el contenido de PB en la dieta. La emisión de CH4, y la densidad de la población de bacterias totales y metanogénicas no difirieron entre tratamientos. En lo que respecta al metabolismo del N, la concentración ruminal de N-NH3 en el efluente (mg/dL), así como el flujo de N total y N-NH3 (g/d), aumentaron linealmente al aumentar el contenido proteico de la dieta. Por el contrario, el flujo de N no amoniacal y de N bacteriano disminuyeron linealmente con el aumento de la PB de la dieta, siendo este último 32% menor en el tratamiento con mayor respecto al de menor contenido de PB. La digestibilidad de la proteína y la eficiencia de síntesis bacteriana (g N/kg MO), no se vieron afectadas por el contenido proteico en la dieta, observándose una tendencia a una disminución lineal a medida que el contenido de PB fue mayor. Dietas con niveles decrecientes de PB dieron como resultado patrones alterados de fermentación ruminal, como el pH ruminal y los cambios en el metabolismo de parte de los AGV y el N. Las dietas con 13% y 16% de PB proporcionaron efectos positivos sobre el flujo de N microbiano y una tendencia hacia una mejor eficiencia microbiana en el rumen; por lo tanto, fueron la mejor estrategia para una mejorar la utilización de N en el rumen. Más allá de ese nivel, no hubo más beneficios de alimentar una mayor PB en la dieta.

Farmers are facing new challenges, having to improve the efficiency of use of available resources, and at the same time adapt to the demands in order to reduce environmental pollution. Animal production represents a significant source of GHG through methane (CH4) and nitrous oxide (N2O) emission, in addition to nitrates (NO3-) water pollution and ammonia (NH3) volatilization. The dairy cattle nutrition is a key tool for environmental problems caused by nitrogen (N) accumulation and CH4 emission in dairy systems. Despite the importance of milk production in our country, there is little information on CH4 emissions and its relationship with dietary N use efficiency (NUE) in dairy cows. In this context, the objective of this doctoral thesis was to study the effect of different dietary crude protein (CP) levels on productivity, ruminal fermentation, N intake fate and the environmental impact in Argentine Holstein dairy cows. As part of the literature review, in chapter 2, an evaluation of the CP levels currently used and the NUE values in Argentinian dairy systems was carried out. The dietary CP levels variability used in dairy cows, milk N secretion, its relationship with the NUE and enteric CH4 emissions of 122 national dairy systems located in main dairy basins of the country were studied. CP levels in Argentina's systems were high compared to international recommendations. Also, NUE values were lower than desired, demonstrating that there are still many strategies to improve this indicator. Furthermore, in chapter 3, a systematic review of 53 published feeding trials that evaluated different dietary CP in dairy cows, and global analysis of the relationships between under study variables, was carried out. For that purpose, a main components analysis of was done, and later, through random regressions, the function that relates the CP levels (%) and productive variables were determined. The systematic review allowed a synthesis of the available evidence to continue with the in-depth analysis of the relationships between variables. Although in some variables, such as dry matter intake (DMI), milk protein content and milk urea N (MUN) had low response variability, individual milk production and NUE had a variable response, being both variables of importance for the diet cost and the economic result. The high negative correlation between MUN concentration and NUE demonstrated MUN usefulness as a NUE indicator. In order to evaluate dietary NUE, enteric CH4 emission, milk production and economic results on Argentine Holstein dairy cows fed diets with different CP levels (13, 16 and 19 %) in chapter 4, a field trial was carried out. With similar DMI and organic matter (OM) digestibility, an increase in dietary CP content allowed a linear increase of milk production (+ 16 %), milk protein content and yield. Milk N excretion (MN) showed the same trend as milk protein yield. In addition, a higher N intake (NI) generated lower EUN. Urine volume, N excreted in urine (NU), and urea N in urine (UNU), as well as the proportion of NI excreted in urine, increased significantly in response to dietary CP level. Daily enteric CH4 emission, emission intensity and CH4 conversion rate (Ym) were not affected by dietary CP content. Respect to the economic indicators, the ration cost was higher as the percentage of dietary CP increased. However, as CP level increased, the milk production increased and allowed a higher milk yield free of ration cost, a higher income per cow, and a higher gross income. However, the potential costs due to increased excretion of N to the environment, and therefore increased risk of NO3- leaching and N2O emission, were higher as dietary CP content increased. These results show that optimizing CP content should be a balance between economic and environmental impacts on milk production, since excessive N intake would imply greater loss in the form of urea through the urine. Finally, a dual-flow continuous culture fermenter system was used to assess the effect of increased dietary CP levels used in dairy cattle on ruminal fermentation, N metabolism, microbial synthesis efficiency, microbial population and CH4 production (chapter 5). The increase of dietary CP content (13, 16 and 19 % PB) didn´t have a significant effect on the in vitro DM, OM of fiber digestibility. As dietary CP content increased, the mean, maximum and minimum ruminal pH increased linearly. The total volatile fatty acids (TVFA) concentration and molar proportions of acetate (C2), butyrate (C4) and valerate (C5) were not affected by treatments, with a tendency to decrease linearly the concentration of TVFA as dietary CP level increases. In the case of propionate (C3) and iso-valerate, although there were no differences between treatments, there was a decrease in the molar ratio with an increase in dietary CP content. The relationship C2:C3 increased linearly as the CP concentration was higher. CH4 production, total bacteria and methanogenic bacteria population density were similar between treatments. Respect to N metabolism, ruminal NH3-N effluent concentration (mg/dL), as well as total N (TN) and NH3-N (g/d) flow, increased linearly as CP content increased. In contrast, non NH3-N flow (NAN) and bacterial N decreased linearly with increasing content of CP, being 32% lower in high CP diet respect to the lower CP content diet. The protein digestibility and bacterial synthesis efficiency (g N/kg OM) were not affected by treatments, with a tendency of a linear decrease as dietary CP content increased. Diets with decreasing dietary CP levels resulted in altered patterns of ruminal fermentation, such as ruminal pH and changes in VFA and N metabolism. Diets with 13 and 16 CP % had positive effects on bacterial N flow and a tendency for improved efficiency of bacterial N synthesis. Therefore, both treatments were the best strategy for improving ruminal NUE. Beyond 16 CP %, there was no further benefit of feeding a higher dietary CP level.