Effects of different doses of sodium nitrate on fatty acid composition and microbial population in in vitro simulation of buffalo rumen fermentation with added linoleic acid

doi:10.11686/cyxb2020320

Abstract

Abstract:

This research explored the effects of different doses of sodium nitrate on the composition of fatty acids and the numbers of microorganisms in in vitro simulation of buffalo rumen fermentation with added linoleic acid. Three female buffaloes with permanent rumen fistula were used. The ratio of dietary concentrate to roughage was 40∶60. The experiment comprised five replicates of four experimental treatments： a blank control （CK） and addition of sodium nitrate at rates of 1， 2 or 3 mg·mL^-1， with 0.25 mg·mL^-1 linoleic acid added in each case. Gas and methane production were measured after 3， 6， 9， 12 and 24 h anaerobic incubation in vitro， and the fermentation parameters， fatty acid concentrations and numbers of rumen microorganisms were determined after 24 h incubation. It was found that adding sodium nitrate significantly reduced the total gas production and methane production （P<0.05）. Adding sodium nitrate also significantly increased the simulated rumen pH value and ammonia nitrogen （NH₃-N） concentration （P<0.05）， significantly reduced the contents of isobutyrate and isovaleriate （P<0.05）， but had no significant effects on the concentrations of total volatile fatty acids （TVFA）（P>0.05）. With the addition of 1 mg·mL^-1 sodium nitrate， the contents of C18：2cis-9， trans-11， C18：2trans-10， cis-12 and unsaturated/saturated fatty acid ratios were significantly higher than those in other groups （P<0.05）. The concentration of C20：5n3 （eicosapentaenoic acid） in the 1 mg·mL^-1 sodium nitrate group was significantly higher than that in the 3 mg·mL^-1 sodium nitrate group （P<0.05）， and the concentration of C22：6n3 （docosahexaenoic acid） with 2 mg·mL^-1 sodium nitrate added was significantly higher than that of other groups （P<0.05）. The number of protozoa in treatments with added sodium nitrate was significantly lower than for CK （P<0.05）. The number of methanogens in treatments with 2 and 3 mg·mL^-1 added sodium nitrate was significantly lower than in the 1 mg·mL^-1 sodium nitrate treatment （P<0.05）， and the numbers of bacteria， fungi， Butyrivibrio fibrisolvens， Butyrivibrio proteoclasticus， Atypical butyrivibrio， and Butyrivibrio hungatei in the 1 mg·mL^-1 sodium nitrate treatment were significantly higher than in other treatments （P<0.05）. In summary， the addition of 1-3 mg·mL^-1 sodium nitrate and 0.25 mg·mL^-1 linoleic acid in vitro significantly reduced methane generation while maintaining the TVFA concentration. Moreover， 1 mg·mL^-1 sodium nitrate promoted the formation of conjugated linoleic acid （CLA）， optimized fatty acid composition， and increased the numbers of most rumen microorganisms.

Key words: sodium nitrate, in vitro fermentation, methane, biohydrogenation, rumen microorganism

Yan-xia GUO, Meng-wei LI, Zhen-hua TANG, Li-juan PENG, Kai-ping PENG, Fang XIE, Hua-de XIE, Cheng-jian YANG. Effects of different doses of sodium nitrate on fatty acid composition and microbial population in in vitro simulation of buffalo rumen fermentation with added linoleic acid[J]. Acta Prataculturae Sinica, 2021, 30(9): 159-167.

Figures/Tables 5

References 30

1	Appuhamy J A R， France J， Kebreab E. Models for predicting enteric methane emissions from dairy cows in North America， Europe， and Australia and New Zealand. Global Change Biology， 2016， 22（9）： 3039-3056.
2	Zu H C， Xu J， Cong Y Y. Reducing rumen methane emission through regulating rumen microorganisms by adding hydrogen-consuming compounds. Chinese Journal of Animal Nutrition， 2019， 31（11）： 4967-4972.
	俎昊辰，许静，丛玉艳. 通过添加耗氢化合物调节瘤胃微生物实现甲烷减排. 动物营养学报， 2019， 31（11）： 4967-4972.
3	Hulshof R， Berndt A， Gerrits W， et al. Dietary nitrate supplementation reduces methane emission in beef cattle fed sugarcane-based diets. Journal of Animal Science， 2012， 90（7）： 2317-2323.
4	Huyen T， Do H Q， Preston T R， et al. Nitrate as fermentable nitrogen supplement to reduce rumen methane production. Livestock Research for Rural Development， 2010， 22（8）： 146.
5	Li L， Davis J， Nolan J， et al. An initial investigation on rumen fermentation pattern and methane emission of sheep offered diets containing urea or nitrate as the nitrogen source. Animal Production Science， 2012， 52： 653-658.
6	Hafoot C G，Hazlewood G P. Lipid metabolism in the rumen//Hobson P N. The rumen microbial ecosystem. Netherlands： Springer， 1998： 382-426.
7	Sun P F， Yao J H， Liu J X. Research progress on hydrogenation of octadecane unsaturated fatty acids in rumen. Journal of Animal Science， 2007（S1）： 508-514.
	孙攀峰，姚建红，刘建新. 瘤胃十八碳不饱和脂肪酸氢化的研究进展. 动物营养学报， 2007（S1）： 508-514.
8	Menke K H， Raab L， Salewski A， et al. The estimation of the digestibility and metabolizable energy content of ruminant feeding stuffs from the gas production when they are incubated with rumen liquor in vitro. The Journal of Agricultural Science， 1979， 93（1）： 217-222.
9	Hu W L， Wang J K， Lv J M， et al. Rapid gas chromatogram determination of methane， organic acid in vitro ruminal fermentation products. Journal of Zhejiang University （Agriculture & Life Sciences）， 2006， 32（2）： 217-221.
	胡伟莲，王佳堃，吕建敏，等. 瘤胃体外发酵产物中的甲烷和有机酸含量的快速测定. 浙江大学学报（农业与生命科学版）， 2006， 32（2）： 217-221.
10	Lu Q Y. Effects of different ratios of dietary starch to neutral detergent fiber on rumen blood， milk and feces metabolism status in high producing lactating cows . Hohhot： Inner Mongolia Agricultural University， 2014.
	鲁秋英. 日粮淀粉/FNDF比例对高产奶牛瘤胃液、血液、乳液和粪便相关代谢指标影响的调查研究. 呼和浩特：内蒙古农业大学， 2014.
11	Li X Z， Yan C G， Choi S H， et al. Effects of addition level and chemical type of propionate precursors in dicarboxylic acid pathway on fermentation characteristics and methane production by rumen microbes in vitro. Asian Australasian Journal of Animal Science， 2009， 22（1）： 82-89.
12	Xu T， Tao H， Chang G， et al. Lipopolysaccharide derived from the rumen down-regulates stearoyl-CoA desaturase 1 expression and alters fatty acid composition in the liver of dairy cows fed a high-concentrate diet. BMC Veterinary Research， 2015， 11（1）： 1-11.
13	Denman S E， McSweeney C S. Development of a real-time PCR assay for monitoring anaerobic fungal and cellulolytic bacterial populations within the rumen. FEMS Microbiology Ecology， 2006， 58（3）： 572-582.
14	Shingfield K J， Kairenius P， Arölä A， et al. Dietary fish oil supplements modify ruminal biohydrogenation， alter the flow of fatty acids at the omasum， and induce changes in the ruminal Butyrivibrio population in lactating cows. The Journal of Nutrition， 2012， 142（8）： 1437-1448.
15	Zoetendal E G. Temperature gradient gel electrophoresis analysis of 16S rRNA from human fecal samples reveals stable and host-specific communities of active bacteria. Applied and Environmental Microbiology， 1998， 64（10）： 3854.
16	Deman S E， Tomkins N W， Deman S E， et al. Quantitation and diversity analysis of ruminal methanogenic populations in response to the antimethanogenic compound bromochloromethane. FEMS Microbiology Ecology， 2007， 62（3）： 313-322.
17	Stevenson D M， Weimer P J. Dominance of Prevotella and low abundance of classical ruminal bacterial species in the bovine rumen revealed by relative quantification real-time PCR. Applied Microbiology and Biotechnology， 2007， 75（1）： 165-174.
18	Nguyen S H， Li L， Hegarty R S. Effects of rumen protozoa of brahman heifers and nitrate on fermentation and in vitro methane production. Asian-Australasian Journal of Animal Sciences， 2016， 29（6）： 807.
19	Sar C， Mwenya B， Santoso B， et al. Effect of Escherichiacoli W3110 on ruminal methanogenesis and nitrate/nitrite reduction in vitro. Animal Feed Science and Technology， 2005， 118（3/4）： 295-306.
20	Zhou Z， Meng Q， Yu Z. Effects of methanogenic inhibitors on methane production and abundances of methanogens and cellulolytic bacteria in vitro ruminal cultures. Applied and Environmental Microbiology， 2011， 77（8）： 2634-2639.
21	Joblin K N. Ruminal acetogens and their potential to lower ruminant methane emissions. Crop & Pasture Science， 1999， 50（8）： 1307-1314.
22	Kepler C R， Hirons K P， McNeill J J， et al. Intermediates and products of the biohydrogenation of linoleic acid by Butyrivibrio fibrisolvens. Journal of Biological Chemistry， 1966， 241（6）： 1350-1354.
23	Vande V J， Joblin K N. Biohydrogenation of C18 unsaturated fatty acids to stearic acid by a strain of Butyrivibrio hungatei from the bovine rumen. Letters in Applied Microbiology， 2003， 37（5）： 424-428.
24	Li D， Wang J Q， Bu D P. Ruminal microbe of biohydrogenation of trans-vaccenic acid to stearic acid in vitro. Bmc Research Notes， 2012， 5（1）： 97.
25	Yang C， McKain N， McCartney C A， et al. Consequences of inhibiting methanogenesis on the biohydrogenation of fatty acids in bovine ruminal digesta. Animal Feed Science and Technology， 2019， 254： 114-189.
26	Guo Y X， Li M W， Peng L J， et al. Effects of sodium nitrate on methane production and fatty acid hydrogenation process of buffalo in vitro fermentation. Chinese Animal Husbandry & Veterinary Medicine， 2020， 47（7）： 2071-2080.
	郭艳霞，李孟伟，彭丽娟，等. 体外法研究硝酸钠调控水牛瘤胃甲烷生成对脂肪酸生物氢化途径的影响. 中国畜牧兽医， 2020， 47（7）： 2071-2080.
27	Wang R， Tan L W， Wang M， et al. Effect of sodium nitrate and 2-Bromoethanesulphonate on methane， hydrogen and volatile fatty acids production of in vitro ruminal fermentation. Chinese Journal of Animal Nutrition， 2015， 27（5）： 1586-1595.
	王荣，谭利伟，王敏，等. 硝酸钠和2-溴乙烷磺酸钠对山羊体外瘤胃发酵甲烷、氢气和挥发性脂肪酸生成的影响. 动物营养学报， 2015， 27（5）： 1586-1595.
28	Fan X， Dong H M， Han L J， et al. Experimental study on the factors affecting methane emission of beef cattle. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering， 2006， 22（8）： 179-182.
	樊霞，董红敏，韩鲁佳，等. 肉牛甲烷排放影响因素的实验研究. 农业工程学报， 2006， 22（8）： 179-182.
29	Iwamoto M， Asanuma N， Hino T. Ability of Selenomonas ruminantium， Veillonella parvula， and Wolinella succinogenes to reduce nitrate and nitrite with special reference to the suppression of ruminal methanogenesis. Anaerobe， 2002， 8（8）： 209-215.
30	Sun Y K. The effect of cysteamine hydrochloride and nitrate supplementation on methane emission and growth performance of beef cattle. Changchun： Jilin Agricultural University， 2017.
	孙雨坤. 半胱胺盐酸盐和硝酸盐对肉牛甲烷代谢及生长性能的影响. 长春：吉林农业大学， 2017.

项目Item	含量Content
底物Substrates
豆粕Soybean meal （%）	25.00
玉米Corn （%）	15.00
象草Elephant grass （%）	60.00
合计Total （%）	100.00
营养水平Nutrient levels
粗蛋白Crude protein （CP，%）	17.48
总能Gross energy （GE， MJ·kg^-1）	13.49
酸性洗涤纤维Acid detergent fiber （ADF，%）	29.09
中性洗涤纤维Neutral detergent fiber （NDF，%）	52.33
粗灰分Crude ash （Ash，%）	7.84
钙Calcium （Ca，%）	0.35
磷Phosphorus （P，%）	0.17

项目Item	含量Content
底物Substrates
豆粕Soybean meal （%）	25.00
玉米Corn （%）	15.00
象草Elephant grass （%）	60.00
合计Total （%）	100.00
营养水平Nutrient levels
粗蛋白Crude protein （CP，%）	17.48
总能Gross energy （GE， MJ·kg^-1）	13.49
酸性洗涤纤维Acid detergent fiber （ADF，%）	29.09
中性洗涤纤维Neutral detergent fiber （NDF，%）	52.33
粗灰分Crude ash （Ash，%）	7.84
钙Calcium （Ca，%）	0.35
磷Phosphorus （P，%）	0.17

菌株Strain	引物序列Primer sequences （5′-3′）	扩增长度Amplicon （bp）
总细菌Total bacteria^［15］	F：GTGSTGCAYGGYYGTCGTCA	123
总细菌Total bacteria^［15］	R：ACGTCRTCCMCNCCTTCCTC	123
真菌Total fungi^［13］	F：GAGGAAGTAAAAGTCGTAACAAGGTTTC	120
真菌Total fungi^［13］	R：CAAATTCACAAAGGGTAGGATGATT	120
原虫Protozoa^［13］	F：GCTTTCGWTGGTAGTGTATT	223
原虫Protozoa^［13］	R：CTTGCCCTCYAATCGTWCT	223
产甲烷菌Methanogens^［16］	F：TTCGGTGGATCDCARAGRGC	130
产甲烷菌Methanogens^［16］	R：GBARGTCGWAWCCGTAGAATCC	130
蛋白分解丁酸弧菌Butyrivibrio proteoclasticus^［14］	F：TCCGGTGGTATGAGATGGGC	185
蛋白分解丁酸弧菌Butyrivibrio proteoclasticus^［14］	R：GTCGCTGCATCAGAGTTTCCT	185
溶纤维丁酸弧菌Butyrivibrio fibrisolvens^［17］	F：GCCTCAGCGTCAGTAATCG	187
溶纤维丁酸弧菌Butyrivibrio fibrisolvens^［17］	R：GGAGCGTAGGCGGTTTTAC	187
亨氏丁酸弧菌Butyrivibrio hungatei^［14］	F：AGGGTAATGCCTGTAGCTC	264
亨氏丁酸弧菌Butyrivibrio hungatei^［14］	R：TCACCCTCGCGGGAT	264
非典型丁酸弧菌Atypical butyrivibrio^［14］	F：GACGGTGTATCAAGTCTGAAGTG	276
非典型丁酸弧菌Atypical butyrivibrio^［14］	R：GCCGGCACTGAAAGACTATGTC	276

菌株Strain	引物序列Primer sequences （5′-3′）	扩增长度Amplicon （bp）
总细菌Total bacteria^［15］	F：GTGSTGCAYGGYYGTCGTCA	123
总细菌Total bacteria^［15］	R：ACGTCRTCCMCNCCTTCCTC	123
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真菌Total fungi^［13］	R：CAAATTCACAAAGGGTAGGATGATT	120
原虫Protozoa^［13］	F：GCTTTCGWTGGTAGTGTATT	223
原虫Protozoa^［13］	R：CTTGCCCTCYAATCGTWCT	223
产甲烷菌Methanogens^［16］	F：TTCGGTGGATCDCARAGRGC	130
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蛋白分解丁酸弧菌Butyrivibrio proteoclasticus^［14］	F：TCCGGTGGTATGAGATGGGC	185
蛋白分解丁酸弧菌Butyrivibrio proteoclasticus^［14］	R：GTCGCTGCATCAGAGTTTCCT	185
溶纤维丁酸弧菌Butyrivibrio fibrisolvens^［17］	F：GCCTCAGCGTCAGTAATCG	187
溶纤维丁酸弧菌Butyrivibrio fibrisolvens^［17］	R：GGAGCGTAGGCGGTTTTAC	187
亨氏丁酸弧菌Butyrivibrio hungatei^［14］	F：AGGGTAATGCCTGTAGCTC	264
亨氏丁酸弧菌Butyrivibrio hungatei^［14］	R：TCACCCTCGCGGGAT	264
非典型丁酸弧菌Atypical butyrivibrio^［14］	F：GACGGTGTATCAAGTCTGAAGTG	276
非典型丁酸弧菌Atypical butyrivibrio^［14］	R：GCCGGCACTGAAAGACTATGTC	276

项目 Item	硝酸钠浓度NaNO₃ concentration
项目 Item	0 mg·mL^-1	1 mg·mL^-1	2 mg·mL^-1	3 mg·mL^-1
总产气量Total gas production （mL·g^-1）	162.00±3.70a	77.00±5.35b	73.50±1.71b	72.50±5.68b
总甲烷量Methane production （mL·g^-1）	8.86±0.04a	2.78±0.06b	2.30±0.09c	2.01±0.03d
pH值pH value	6.71±0.01b	6.81±0.01a	6.82±0.01a	6.81±0.01a
氨态氮NH₃-N （mg·100 mL^-1）	12.84±0.17b	14.99±0.21a	15.01±0.30a	14.34±0.32a
微生物蛋白Microprotein （MCP， mg·mL^-1）	5.01±0.31	5.52±0.32	4.83±0.07	5.53±0.36
乙酸Acetate （mmol·L^-1）	11.87±0.23	11.33±0.28	10.93±0.40	11.99±0.59
丙酸Propionate （mmol·L^-1）	5.20±0.10	4.93±0.17	4.66±0.16	5.18±0.23
丁酸Butyrate （mmol·L^-1）	1.22±0.02	1.39±0.03	1.24±0.07	1.30±0.08
异丁酸Isobutyrate （mmol·L^-1）	0.17±0.001a	0.15±0.001bc	0.14±0.01c	0.16±0.001b
戊酸Valerate （mmol·L^-1）	0.14±0.001	0.13±0.001	0.13±0.001	0.14±0.01
异戊酸Isovalerate （mmol·L^-1）	0.37±0.01a	0.31±0.01b	0.31±0.01b	0.34±0.01a
总挥发性脂肪酸Total volatile fatty acid （TVFA， mmol·L^-1）	18.97±0.36	18.24±0.49	17.41±0.63	19.12±0.92
乙酸/丙酸Acetate to propionate ratio	2.28±0.01	2.31±0.04	2.34±0.02	2.31±0.01