Ruminal degradation of ochratoxin A – <em>in vitro</em> investigations at varying rations and rumen microbial populations

Abstract

The primary objective of the present study was to evaluate the relative contribution of different rumen microbial populations (MP) and the effect of ration on degradation of ochratoxin A (OTA), gas, short chain fatty acids (SCFA) and ammonium production at 24 h incubations using the Hohenheim gas test (HGT) <em>in vitro</em> fermentation system. Five different HGT rations (concentrate:roughage ratio (C:R) 10:90, 30:70, 50:50, 70:30 and 90:10) were used, and donor animals were fed rations with the respective ratios. The rations with the highest concentrate content were supplied with and without 1% NaHCO3 (BC) (70:30BC and 90:10BC). The MP included whole rumen fluid (WRF), fungi+protozoa (F+P), bacteria+protozoa (B+P), protozoa (P) and bacteria+fungi (B+F). Protozoa numbers at 24 h, and OTA and OTα at 4, 8, 12 and 24 h were quantified. Area under the curve (AUC) and half-life for these ochratoxins were also calculated. Gas and ammonium production at 4, 8, 12 and 24 h and SCFA production at 24 h were measured.<br /> The short average OTA half-life for whole rumen fluid of 2.6 h (range 1.3-4.5 h) demonstrates the high OTA degradation capacity of the MP (= standard HGT inoculum). MP, ration and their interaction were found to have significant effects on OTA degradation, gas and ammonium production. Among MP populations, those with bacteria (B+F and B+P) showed lower AUC values (p<0.001) for OTA (196-673 ng/ml x h) (= higher degradation capacity) and higher gas production (17.6-36.8 ml/200 mg DM) than those without bacteria (F+P and P) (701-1206 ng/ml × h and 10.8-21.4 ml/200 mg DM, respectively). In contrast, MP with P population presented higher ammonium production. Whole rumen fluid presented the lowest AUC values (146-249 ng/ml x h; p<0.05) and higher gas production (22.1-40.1 ml/200 mg DM). Ration had a quadratic effect (p=0.001) on protozoa numbers (for B+P, F+P and P). Similarly, MP and ration showed significant effect on propionate and n-butyrate production while interaction between MP and ration was only significant for propionate production. Among MP, whole rumen fluid and populations with bacteria showed higher SCFA production compared to other populations (F+P and P). It can be concluded that variations in OTA degradation, gas, SCFA and ammonium production across rations and MP were attributed to particular microbial association with the highest relevance of bacteria except for ammonium production and relative proportion of concentrate and roughage with emphasis on moderate level of C:R ratios in ration for OTA degradation.

<strong>Ruminaler Ochratoxin A-Abbau – <em>in vitro</em>-Untersuchungen zum Einfluß der Ration und verschiedener Mikrobengruppen</strong><br /> Das primäre Ziel dieser Arbeit war es, den relativen Beitrag der verschiedenen Populationen der Pansenmikroben (MP) und die Auswirkungen des Rationstyps auf den Abbau von Ochratoxin A (OTA), die Gasbildung, den Gehalt an kurzkettigen Fettsäuren (SCFA) und die Ammonium-Produktion mittels 24 h Inkubation im Hohenheimer Futterwerttest (HFT) als in vitro Fermentation System zu bewerten. Es wurden fünf verschiedene HFT-Rationen (Kraftfutter:Grobfutter Verhältnis (C:R) 10:90, 30:70, 50:50, 70:30 und 90:10) verwendet, und das Spendertier für den Pansensaft wurde mit der Ration im jeweiligen Verhältnis gefüttert. Die Rationen mit dem höchsten Kraftfuttergehalt wurden mit bzw. ohne 1% NaHCO3 (70:30BC und 90:10BC) gefüttert. Die MP bestandenem vollständigem Pansensaft (WRF), Pilze + Protozoen (F+P), Bakterien + Protozoen (B+P), Protozoen (P) und Bakterien + Pilze (B+F). Die Protozoenzahl bei 24 h und der OTA- und OTα- Gehalt bei 4, 8, 12 und 24 h wurden quantifiziert. Es wurde weiterhin die Fläche unter der Kurve (AUC) und die Halbwertszeit für die Ochratoxine berechnet. Gasbildung und Ammonium - Produktion bei 4, 8, 12 und 24 h, sowie die SCFA-Bildung bei 24 h wurden gemessen. Die kurze, durchschnittliche OTA Halbwertzeit für den vollständigen Pansensaft von 2,6 h (Bereich 1,3 bis 4,5 h) zeigt die hohe OTA - Abbauleistung (Abbaukapazität) dieser MP (= Standard HFT Inokulum). Die MP, Ration und deren Wechselwirkungen (Interaktionen) haben einen signifikanten Einfluss auf den OTA-Abbau und die Gas- und Ammonium-Bildung. Die MP mit Bakterien (B+F und B+P) zeigten niedrigere AUC-Werte (p <0,001) für Ochratoxin A (196-673 ng/ml x h) (= höhere Abbauleistung) und eine höhere Gasproduktion (17,6-36,8 ml/200 mg TM) als jene ohne Bakterien (F+P und P) (701-1206 ng/ml x h bzw. 10,8-21,4 ml/200 mg TM). Im Gegensatz dazu zeigt die MP mit Protozoen eine höhere Ammonium- Produktion. WRF zeigt die niedrigsten AUC-Werte (146-249 ng/ml x h, p <0,05) und eine höhere Gasproduktion (22,1-40,1 ml/200 mg TM). Die Ration hatte einen quadratischen Effekt (p = 0,001) auf die Protozoenzahl (für B+P, P+F und P). Ebenso zeigten die MP und die Ration einen signifikanten Effekt auf die Propionat- und n-Butyratbildung, während eine Interaktion zwischen MP und der Ration nur für die Propionat-Produktion bedeutsam (signifikant) war. Bei den MP mit vollständigem Pansensaft und den anderen MP mit Bakterien zeigte sich eine höhere SCFA-Produktion im Vergleich zu anderen Populationen (F+P und P). Es kann gefolgert werden, dass Variationen im OTA-Abbau, der Protozoenzahl, der Gas-, SCFA-, und Ammonium-Produktion über Futterrationen und MP mit bestimmten mikrobiellen Kombinationen (Bakterien haben größte Bedeutung), der relative Anteil der Kraftfutter und Grobfutter mit Schwerpunkt auf einem moderaten C:R-Verhältnis in der Ernährung eine Rolle für den OTA-Abbau spielen.