Potential of Microalgae to Replace Conventional Protein Feeds for Sustainable Dairy Cow Nutrition

Show full item record


Title: Potential of Microalgae to Replace Conventional Protein Feeds for Sustainable Dairy Cow Nutrition
Author: Lamminen, Marjukka
Contributor: University of Helsinki, Faculty of Agriculture and Forestry, Department of Agricultural Sciences
Doctoral Programme in Sustainable Use of Renewable Natural Resources
Publisher: Helsingin yliopisto
Date: 2019-05-03
Belongs to series: Dissertationes Schola Doctoralis Scientiae Circumiectalis, Alimentariae, Biologicae - URN:ISSN:2342-5431
URI: http://urn.fi/URN:ISBN:978-951-51-5169-8
Thesis level: Doctoral dissertation (article-based)
Abstract: The objective of the research described in this thesis was to evaluate the potential and sustainability of protein feed use of different non-defatted microalgae species in the nutrition of lactating dairy cows. Four physiological experiments (Publications I-III) were conducted with dairy cows to compare dry matter (DM) intake, milk production, energy metabolism, nitrogen (N) utilisation and amino acid (AA) metabolism using diets containing microalgae (Spirulina platensis, Chlorella vulgaris and Nannochloropsis gaditana) and conventional protein feeds (rapeseed meal, soya bean meal and faba beans). The microalgae diets constituted of S. platensis (Exp. 2, 3 and 4; I-III), C. vulgaris (Exp. 3; II), mixture of S. platensis and C. vulgaris (Exp. 1; I), and mixture of C. vulgaris and N. gaditana (Exp. 3; II). These microalgae substituted protein in rapeseed meal partially (Exp. 1, 2 and 4; I, III) or completely (Exp. 1 and 2; I), soybean meal completely (Exp. 3; II), and faba beans partially (Exp. 4; III). In addition, the effect of protein supplementation with rapeseed meal and microalgae in comparison to unsupplemented diet (Exp. 2; I) was studied. The crude protein (CP; Kjeldahl-N × 6.25) concentration of microalgae was on average 690 g/kg DM for S. platensis, 597 g/kg DM for C. vulgaris and 385 g/kg DM for N. gaditana. These microalgae were relatively low in crude fat, with highest concentration of 192 g/kg DM measured for N. gaditana. Compared to conventional protein feeds, all microalgae were lower in histidine, but higher in methionine. The DM intake (DMI) of microalgae containing feeds was lower than that of conventional protein feeds in three out of four experiments. When forage and concentrates were fed separately, cows compensated the decreased intake of microalgae containing concentrates by increasing silage intake (Exp. 2 and 3; I-II). Thus, total DMI remained unchanged (Exp. 2 and 3; I, II). This decreased the proportion of concentrate in the diet as much as 11.4 %-units. When all feed components were offered as total mixed ration (TMR), total DMI was decreased (on average 0.65 kg/d) as cows no longer were able to avoid microalgae (Exp. 4; III). The poor palatability of microalgae was not related to amount of microalgae in the diet, dietary crude fat concentration or stage of lactation. Milk yield was unaffected by microalgae inclusion in the diet in three out of four experiments. The partial substitution of rapeseed meal or faba beans with S. platensis decreased milk yield on rapeseed, but increased on faba bean supplemented diets (Exp. 4; III). The same was observed as a tendency for protein yield. Also in Experiment 2 (I), S. platensis tended to result in lower milk protein yield than rapeseed meal. Microalgae resulted in milk, energy corrected milk (ECM) and protein yields similar to soya bean meal (Exp. 3; II). S. platensis inclusion in the diet increased milk fat concentration on soya (Exp. 3; II) and rapeseed meal (Exp. 4; III) supplemented diets, which might have been caused by more acetate intensive ruminal fermentation, increased body mobilisation or higher methionine intake. Protein supplementation increased N excretion in urine and faeces, and decreased the conversion efficiency of dietary N into milk protein (milk N:N intake; NUE) (Exp. 2; I). The responses of microalgae inclusion in the diet depended on the source of protein in the basal diet. In Exp. 2 (I), the substitution of rapeseed meal with S. platensis decreased NUE and human-edible protein efficiency. The same was observed in Exp. 4 (III) on rapeseed meal supplemented diets, whereas on faba bean supplemented diets NUE was increased and human-edible protein efficiency was unaffected by S. platensis inclusion in the diet. In addition, the partial substitution of both rapeseed meal and faba beans resulted in increased urinary and total excretion of N (Exp. 4; III). The complete substitution of soya bean meal with different microalgae did not affect NUE, but decreased urinary N excretion and tended to increase human-edible protein efficiency. The substitution of all conventional protein feeds with microalgae decreased the intake of histidine and increased that of methionine. In two out of four experiments, these changes did not convert to major changes in arterial concentrations of these AA and their metabolites. The changes observed with S. platensis or mixture of S. platensis and C. vulgaris were decreased (Exp. 1; I) or tendency for decreased (Exp. 2; I) arterial histidine concentration, decreased arterial carnosine concentration in Exp. 1 and 2 (I), and decreased mammary uptake of histidine in Exp. 2 (I) and methionine in Exp. 4 (III). In conclusion, the results demonstrated no biological or physiological constraints for protein feed use of different microalgae. Moreover, microalgae seemed to be suitable substitute for soya bean meal and faba beans in dairy cow nutrition. However, microalgae are slightly inferior to rapeseed meal as indicated by results of milk production and N utilisation. The greatest challenge limiting the feed use of microalgae for lactating dairy cows is their poorer palatability relative to conventional feeds.Tämän väitöskirjan tavoitteena oli arvioida erilaisten mikrolevien potentiaalia lypsylehmien valkuaisrehuna. Neljässä ruokintakokeessa tutkittiin ruokintojen vaikutusta rehun syöntiin, lypsylehmien maidontuotantoon, energia-aineenvaihduntaan, typen hyväksikäyttöön ja aminohappoaineenvaihduntaan. Tutkimuksissa mikrolevät (Spirulina platensis, Chlorella vulgaris ja Nannochloropsis gaditana) korvasivat tavanomaisten valkuaisrehujen (rypsirouhe, soijarouhe ja härkäpapu) valkuaisen joko kokonaan tai osittain. Lisäksi yhdessä kokeessa tutkittiin yleisesti valkuaisruokinnan vaikutusta tuotokseen ja aineenvaihduntaan. Mikrolevien valkuaispitoisuus oli huomattavan korkea etenkin S. Platensis ja C. Vulgaris mikrolevissä (noin 600-700 g/kg kuiva-ainetta (ka)). N. Gaditana mikrolevän valkuaispitoisuus (385 g/kg ka) oli tavanomaisten valkuaisrehujen tasolla. Aminohapoista mikrolevien histidiinin pitoisuus oli pienempi ja metioniinin suurempi kuin tavanomaisten valkuaisrehujen. Mikrolevien maittavuus oli selkeästi heikompi kuin tavanomaisten valkuaisrehujen. Kun karkearehu ja väkirehu syötettiin lehmille erikseen, mikrolevää sisältävien väkirehujen syönti pieneni, mutta lehmät kompensoivat tätä karkearehun syöntiä lisäämällä. Tämän seurauksena rehun kokonaissyönti ei muuttunut mikrolevien korvatessa tavanomaisia valkuaisrehuja. Kun rehu tarjottiin lehmille seosrehuna, mikrolevät pienensivät rehun kokonaissyöntiä kun lehmät eivät enää pystyneet välttämään mikroleviä rehussaan. Mikrolevät vaikuttivat maitotuotokseen vain yhdessä kokeessa. Kun S. Platensis mikrolevä korvasi rypsin tai härkäpavun valkuaista osittain, maitotuotos pieneni rypsiruokinnalla, mutta lisääntyi härkäpapuruokinnalla. Samansuuntaisia vaikutuksia havaittiin maitovalkuaisen tuotannossa. Maito- ja maitovalkuaisen tuotos olivat eri mikroleväruokinnoilla yhtä hyvät kuin soijaruokinnalla. Maitorasvan tuotanto lisääntyi kun S. Platensis mikrolevä korvasi rypsiä ja soijaa, mikä saattaa johtua eroista pötsikäymisessä, eläinten kudosrasvan mobilisaatiosta tai suuremmasta metioniinin saannista. Valkuaisruokinta lisäsi typen eritystä ympäristöön ja heikensi valkuaisen hyväksikäyttöä maidontuotannossa. Mikrolevän vaikutukset typen hyväksikäyttöön riippuivat korvattavasta tavanomaisesta valkuaisrehusta. Kun S. Platensis korvasi rypsiä, vaikutukset olivat negatiiviset, sillä typen hyväksikäyttö että ihmisravinnoksi kelpaavan valkuaisen hyväksikäyttö pienenivät. Kun mikrolevät korvasivat härkäpapua tai soijaa, vaikutukset olivat positiivisemmat, sillä typen hyväksikäyttö lisääntyi tai pysyi ennallaan, ja ihmisravinnoksi kelpaavan valkuaisen hyväksikäyttö lisääntyi. Myös typen eritys virtsaan pieneni mikrolevien korvatessa soijaa lypsylehmien ruokinnassa. Vaikutus oli päinvastainen mikrolevien korvatessa härkäpapua, sillä tällöin typen kokonaiseritys ympäristöön lisääntyi. Kaikissa kokeissa mikrolevät pienensivät lypsylehmien histidiinin ja metioniinin saantia. Näiden aminohappojen saanti rajoittaa usein ensimmäisenä lypsylehmien maidontuotantoa. Mikrolevät vaikuttivat kuitenkin vain kahdessa kokeessa näiden aminohappojen tai niiden aineenvaihduntatuotteiden pitoisuuteen plasmassa. Tämän väitöskirjan tulosten perusteella mikrolevien käytölle lypsylehmien valkuaisrehuna ei ole biologisia tai fysiologisia esteitä. Lisäksi mikrolevät vaikuttaisivat soveltuvan hyvin korvaamaan soijaa ja härkäpapua lypsylehmien ruokinnassa. Mikrolevien rehuarvo lypsylehmien ruokinnassa on kuitenkin todennäköisesti hieman rypsiä heikompi maidontuotantovasteiden ja typen hyväksikäytön perusteella.
Subject: Kotieläintiede
Rights: This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.

Files in this item

Total number of downloads: Loading...

Files Size Format View
potentia.pdf 1.863Mb PDF View/Open

This item appears in the following Collection(s)

Show full item record