Energy and nitrogen use efficiency in farm animal nutrition – opportunities and limitations for improvement

Abstract

This thesis combines three different topics that are seemingly unconnected but inherently linked. The first part deals intensively with co-products from biofuel production on a European level. There are numerous co-products which are all suitable as protein supplements for ruminants, pigs and poultry. The results of a number of experiments with lactating dairy cows and fattening bulls suggest that distillers grains, rapeseed meal and rapeseed cake as the main protein source may support a high productive performance. Pigs would particularly benefit from breeding or production progress in further reduction of glucosinolate levels of rapeseed, whereas in cattle, a safer quality assessment of the rapeseed cake is needed. Another fundamental co-product of the biodiesel production is glycerine. In ruminant diets, glycerine at different purities may help to stabilise the hygienic quality of pelleted compound feeds without compromising physical quality of pellets. The efficient utilisation of biofuel co-products is a key tool towards more sustainable biofuel production. Future research should quantify all expenditures on the processing of biofuel co-products in order to be able to evaluate meaningful carbon footprints. <br /> The second part of the thesis draws attention to the question of whether it makes sense to use equations based on feed and intake characteristics to estimate methane (CH₄) emissions from dairy cows. Nine CH₄ prediction equations were applied to five typical Central European diets in order to compare their applicability. As a result, smallest differences to mean values were observed with equations using neutral detergent fibre, while standard deviations were highest, and therefore showed the best capability to differentiate between diets, when using equations that operated with forage proportion and dry matter intake. The differences in levels of CH₄ estimates show that the equations are still inaccurate and may only serve as implications to locate trends. It should be taken into consideration to expand datasets, involving future CH₄ measurements, on animal and herd level, feeding typical up to date regional diets in order to get more precise equations, suitable for a greater range of estimations. To ease and simplify the future applications, the prediction equations could be classified into groups, clearly stating by which data they were derived, for example regional origin and diet composition. <br /> In the third part of this study, 33 samples with main focus on unprotected or rumen-protected protein supplements, were analysed using an enzymatic in vitro procedure (EIVP) in order to determine intestinal crude protein (CP) digestibility (IPD) of ruminally undegraded CP (RUP). Results of this study showed that the EIVP seems to be an adequately working, simple and reliable method to estimate IPD of RUP in concentrate feeds. This method in its current, strictly standardized form can be applied to develop a database which can be used for protein evaluation systems for establishing tabular values of IPD. However, future studies may be constricted since sufficient reference values are missing.<br /> In conclusion it can be stated that there is still research needed to improve existing systems in order to optimise feeding strategies to meet the animals’ nutrient requirements as well as minimising greenhouse gas (GHG) emissions and energy loss in agricultural production systems. This research should include the improvement of GHG estimation systems towards a more differentiated view to regional conditions and resources as well as an improvement of the protein evaluation system with standardised, easy to apply laboratory methods to estimate nutrient requirements for a more efficient usage of local resources and co-products.

<strong>Potenziale und Grenzen zur Verbesserung der Energie- und Stickstoffnutzungseffizienz in der Ernährung landwirtschaftlicher Nutztiere</strong><br /> Die vorliegende Arbeit beinhaltet drei verschiedene Themen: Der erste Teil beschäftigt sich mit der Biokraftstoffproduktion und deren Koppelprodukten in der EU. Diese Koppelprodukte eignen sich als Proteinergänzungsfutter für Wiederkäuer, Schweine und Geflügel. Ergebnisse aus Versuchen mit laktierenden Kühen und Mastbullen zeigen, dass Nass- und Trockenschlempen, Rapsexktraktionsschrot und Rapskuchen als alleiniges Protein-ergänzungsfutter durchaus die hohe Leistung der Tiere fördern. Trotz alledem müssen, vor allem in der Schweinefütterung, die Glucosinolatkonzentrationen bei Rapsprodukten durch verarbeitungstechnischen und züchterischen Fortschritt noch verringert werden. Dies ist unkritisch für Wiederkäuer, allerdings sollte eine bessere Qualitätsprüfung für Rapskuchen gewährleistet werden. Ein weiteres Koppelprodukt aus der Biodieselproduktion ist Glycerin. In Wiederkäuerrationen kann es in unterschiedlichen Reinheitsgraden zu einer besseren hygienischen Qualität von Mischfutter beitragen, ohne die physikalischen Eigenschaften der Pellets zu beeinträchtigen. Die effiziente Nutzung der Biokraftstoff-Koppelprodukte trägt zu einer nachhaltigen Kraftstoffproduktion bei. Allerdings sollten zukünftige Recherchen alle Aufwände quantifizieren, die mit der Biokraftstoffproduktion und deren Koppelprodukten zusammenhängen, um eine präzisere CO₂-Bilanz ermitteln zu können.<br /> Im zweiten Teil dieser Arbeit wird die Frage untersucht, ob es sinnvoll ist, Schätzgleichungen auf Basis von Futtermittel- und Futteraufnahmekenngrößen zu verwenden, um die Methanemissionen bei Wiederkäuern zu ermitteln. Um ihre praktische Eignung vergleichen zu können, wurden neun Schätzgleichungen auf fünf typische mitteleuropäische Rationen angewendet. Die kleinsten Unterschiede zum Mittelwert wurden bei den Schätzgleichungen festgestellt, welche die Neutral-Detergenzien-Faser als Variable benutzen. Die Standardabweichungen waren am höchsten in Gleichungen, die die Trockenmasseaufnahme als Variable benutzen. Somit waren diese Gleichungen am besten in der Lage, zwischen verschiedenen Rationen zu differenzieren. Die zum Teil großen Unterschiede in den Ergebnissen zeigen jedoch auch, dass bisherige Gleichungen ungenau sind. Generell sollte man eine Erweiterung der Datenbasis, mit deren Hilfe Schätzgleichungen und Modelle gebildet werden, in Betracht ziehen. Dies sollte vor allem neue Messungen mit einbeziehen, sowohl am Einzeltier als auch auf Herdenniveau, bei denen typische, aktuelle und lokale Rationen gefüttert werden. Im dritten Teil der Arbeit wurden 33 Futtermittel, mit einem Schwerpunkt auf ungeschützten und pansengeschützen Proteinergänzungsfuttermitteln mit einem enzymatischen <em>in vitro</em>-Verfahren (EIVP) analysiert, um die Dünndarmverdaulichkeit des Rohproteins zu bestimmen. Die Ergebnisse dieser Studie zeigen, dass das EIVP eine verlässliche und einfach anwendbare Methode ist, die sich besonders für verschiedene Konzentratfutter eignet. Diese Methode kann angewandt werden, um eine Datenbank zu schaffen, mit deren Hilfe Proteinbewertungssysteme verbessert und weiterentwickelt werden können. <br /> Zusammenfassend kann festgestellt werden, dass Fütterungsstrategien noch weiter optimiert werden sollten, um den Bedarf der Tiere genauer zu decken und somit Treibhausgasemissionen und Energieverluste weiter zu verringern. Um dies bewerkstelligen zu können, ist es erforderlich, dass die Schätzung von Treibhausgasemissionen in der Landwirtschaft durch Gleichungen und Modelle noch genauer auf regionale Bedingungen eingeht. Proteinbewertungssysteme könnten durch einfachere und besser standardisierte Methoden noch genauere Empfehlungen geben, um regionale Ressourcen und Koppelprodukte effizienter nutzen zu können.