Introduzione
Sino dalla scoperta del processo Haber-Bosch, l’azoto ha svolto un ruolo fondamentale nella produzione agricola ed è un nutriente chiave che influenza la resa delle colture. A livello globale, le richieste di fertilizzanti a base di azoto stanno crescendo (in parallelo con la crescente popolazione umana) e si prevede che raggiungeranno i 119,4 milioni di tonnellate nel 2018 (FAO, 2015). Essendo un componente dei nutrienti essenziali, l’azoto è di fondamentale importanza per la crescita e la produttività degli animali. I ruminanti, tuttavia, sono degli utilizzatori relativamente inefficienti dell’azoto presente nella loro alimentazione. Negli studi di ricerca con vacche da latte, l’efficienza di utilizzo di N nel latte variava dal 14 al 45% [media del 25 e del 28% (SD = 4,1 e 3,6%) per i dati del Nord America e del Nord Europa, rispettivamente] come riportato in una meta-analisi di Huhtanen e Hristov (2009). I dati del bilancio di massa dell’azoto negli allevamenti di vacche da latte e negli allevamenti di bovine da carne hanno dimostrato un’efficienza della conversione dell’azoto degli alimenti nel latte o in guadagno di BW del 27 e 14%, rispettivamente (Hristov et al. 2011). L’azoto non trattenuto nei tessuti animali o secreto nel latte viene escreto nelle urine e nelle feci, contribuendo all’inquinamento dell’acqua, alle emissioni gassose di azoto e alla formazione di particolato nell’atmosfera (Külling et al., 2001; Hristov, 2011; Hristov et al., 2011; Cameron et al., 2013). L’azoto urinario è molto più labile e suscettibile di perdite veloci per lisciviazione e volatilizzazione rispetto all’azoto fecale. La grande variazione nell’escrezione urinaria di N, rispetto alla N fecale, presenta un’opportunità di manipolare la dieta per ridurre l’escrezione urinaria di N (Dijkstra et al., 2018). Pertanto, la comprensione del metabolismo dell’azoto e lo studio dei processi e delle pratiche che possono migliorare l’efficienza dell’utilizzo di N per scopi produttivi sono stati al centro della ricerca sulla nutrizione dei ruminanti per oltre un secolo ( Bergen, 2007; Schwab e Broderick, 2017 ). Ricerche più recenti hanno gravitato sulla mitigazione delle emissioni di N (ad es. ammoniaca, nitrato e protossido di azoto) nell’ambiente. L’uso delle tecniche di misurazione più accurate e precise è fondamentale per ottenere risultati sperimentali affidabili sull’utilizzo di N da parte dei ruminanti, per valutare l’efficienza delle tecnologie di mitigazione delle emissioni di N e per una corretta valutazione e interpretazione dei dati pubblicati.
Questa revisione ha lo scopo di fornire un’analisi approfondita dei metodi attualmente utilizzati per studiare la digestione e il metabolismo dell’azoto nei ruminanti e il destino dell’azoto prodotto da effluenti di allevamento. La revisione si basa sull’ampia e complementare esperienza del consorzio internazionale di scienziati che partecipa al progetto Global Network nell’ambito della Feed and Nutrition Network, che fa parte del Livestock Research Group della Global Research Alliance for Agricultural Greenhouse Gases (globalresearchalliance.org/research/livestock/networks/feed-nutrition-network).
Abstract
L’azoto è un componente dei nutrienti essenziali fondamentale per la produttività dei ruminanti. Se escreto in eccesso, N è anche un importante inquinante ambientale che contribuisce alla deposizione acida, all’eutrofizzazione, ai problemi respiratori umani e ai cambiamenti climatici. La complessa attività metabolica microbica nel rumine e l’effetto sui processi successivi nell’intestino e nei tessuti del corpo, rendono lo studio del metabolismo dell’azoto nei ruminanti impegnativo rispetto ai non ruminanti. Pertanto, l’uso di misure accurate e di tecniche precise è indispensabile per ottenere risultati sperimentali affidabili sull’impiego di azoto da parte dei ruminanti e per valutare gli impatti ambientali delle tecniche di riduzione delle emissioni. Esperimenti con change-over design sono adatti come quelli continui per lo studio del metabolismo proteico negli animali ruminanti, tranne quando si prevedono cambiamenti nel peso corporeo o effetti di trascinamento dovuti al trattamento. L’adattamento a seguito di un cambiamento nella dieta dovrebbe essere consentito per almeno 2 settimane (preferibilmente 3), e potrebbero essere necessari periodi di adattamento prolungati se le riserve corporee possono temporaneamente fornire i nutrienti studiati. La degradabilità delle proteine della dieta nel rumine e nell’intestino sono caratteristiche degli alimenti che determinano l’AA primaria disponibile per l’animale ospite. Possono essere stimate utilizzando tecniche in situ, in vitro o in vivo, ognuna con vantaggi e svantaggi intrinseci. E’ ancora necessario trovare test di laboratorio accurati, precisi e poco costosi per la misura della disponibilità delle proteine negli alimenti. Le tecniche utilizzate per la determinazione diretta della sintesi proteica microbica nel rumine sono laboriose e costose e la variabilità dei dati può essere inaccettabilmente grande; gli approcci indiretti non hanno dimostrato il livello di accuratezza richiesto per l’adozione diffusa. Anche le tecniche utilizzate per studiare la digestione post ruminale e l’assorbimento di composti azotati, il riciclo dell’urea e il metabolismo degli AA nella mammella sono laboriose, costose (specialmente i metodi che usano gli isotopi) e i risultati possono essere variabili, specialmente i metodi basati sulle misurazioni del contenuto gastrointestinale o del flusso sanguigno. La perdita di azoto volatile dalle feci e in particolare dall’urina, può essere notevole durante la raccolta, il trattamento e l’analisi delle escrezioni, compromettendo l’accuratezza delle misurazioni della digestione di azoto del tratto digestivo completo e del bilancio di azoto del corpo. Nello studiare il metabolismo dell’azoto nei ruminanti, i nutrizionisti dovrebbero prendere in considerazione anche il destino a lungo termine dell’azoto nel letame. Sono disponibili varie tecniche per determinare gli effetti dell’alimentazione animale su azoto totale, emissioni potenziali di ammoniaca o di ossido nitroso e valore come fertilizzante per le piante del letame. Nel complesso, i metodi di studio del metabolismo dell’azoto nei ruminanti sono stati sviluppati in oltre 150 anni di ricerca sulla nutrizione animale, ma molti di essi sono laboriosi e poco pratici per l’applicazione su un gran numero di animali. Le crescenti preoccupazioni ambientali associate ai sistemi di produzione animali richiedono metodi più accurati e affidabili per determinare le emissioni azoto del letame considerando la composizione degli alimenti e il metabolismo dell’azoto dei ruminanti.
PAROLE CHIAVE: azoto, metabolismo, ambiente, tecnica, ruminanti, letame
INVITED REVIEW: NITROGEN IN RUMINANT NUTRITION: A REVIEW OF MEASUREMENT TECHNIQUES
N. Hristov,1 * A. Bannink,2 L. A. Crompton,3 P. Huhtanen,4 M. Kreuzer,5 M. McGee,6 P. Nozière,7 C. K. Reynolds,3 A. R. Bayat,8 D. R. Yáñez-Ruiz,9 J. Dijkstra,10 E. Kebreab,11 A. Schwarm,5 † K. J. Shingfield,8,12‡ and Z. Yu13
1-Department of Animal Science, The Pennsylvania State University, University Park 16802
2-Wageningen Livestock Research, Wageningen University & Research, PO Box 338, 6700 AH Wageningen, the Netherlands
3-School of Agriculture, Policy and Development, Centre for Dairy Research, University of Reading, PO Box 237 Earley Gate, Reading RG6 6AR, United Kingdom
4-Department of Agricultural Science, Swedish University of Agricultural Sciences, S-90, Umeå, Sweden
5-ETH Zurich, Institute of Agricultural Sciences, Universitaetstrasse 2, 8092 Zurich, Switzerland
6-Teagasc, Animal & Grassland Research and Innovation Centre, Grange, Dunsany, Co. Meath, Ireland C15 PW93
7-Université Clermont Auvergne, INRA, VetAgro Sup, UMR Herbivores, F-63122 Saint-Genès-Champanelle, France
8-Milk Production Solutions, Production Systems, Natural Resources Institute Finland (Luke), FI 31600 Jokioinen, Finland
9-Estación Experimental del Zaidín (CSIC), Profesor Albareda, 1, 18008, Granada, Spain
10-Animal Nutrition Group, Wageningen University & Research, PO Box 338, 6700 AH, Wageningen, the Netherlands
11-Department of Animal Science, University of California, Davis 95616
12-Institute of Biological, Environmental and Rural Sciences, Aberystwyth University, Aberystwyth, SY23 3EB, United Kingdom
13-Department of Animal Sciences, The Ohio State University, Columbus 43210
Dairy Sci. 102:5811–5852
doi.org/10.3168/jds.2018-15829
